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植物的功能基因组学研究进展 |
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生物化学功能，如作为蛋白质激酶对特异的蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能，如参与细胞间和细胞内的信号传递途径；发育上的功能，如参与形态建成等。目前，获得一段DNA序列的功能信息的最简单的方法是将该DNA序列与GenBank中公布的基因序列进行同源性比较，如利用BLASTn和BLASTx两种软件分别进行核苷酸和氨基酸序列同源性比较等。同源性比较的结果大体可以分为如下类型： 与生化和生理功能均已知的基因具同源性； 与生化功能已知的基因具同源性，但该基因的生理功能未知；与其它物种中生化和生理功能均未知的基因具同源性；虽与生化和生理功能均已知的基因具同源性，但对该基因功能的了解尚不深入，仍停留在表观现象上。上述同源性检索分析方法仅仅为该DNA片段的功能提供了间接的证据，对基因功能的直接证据还需要实验上的数据。Bouchez和Hofte(1998)〔2〕将所需要的实验证据归纳如下：(1) 通过研究基因的时空表达模式确定其在细胞学或发育上的功能，如在不同细胞类型、不同发育阶段、不同环境条件下以及病原菌侵染过程中mRNA和/或蛋白质的表达的差异等。(2) 研究基因在亚细胞内的定位和蛋白质的翻译后调控等。(3) 利用基因敲除(knock－out)技术进行功能丧失(lossoffunction)分析或通过基因的过量表达(转基因)进行功能获得(gainoffunction)分析，进而研究目的基因与表型性状间的关系。(4) 通过比较研究自发或诱发突变体与其野生型植株在特定环境条件下基因表达的差异来获取基因功能的可能信息。
2 植物的表达序列标记(expressed sequence tag,EST)与基因组大规模测序
通过从cDNA文库中随机挑取的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5′或3′端序列称为表达序列标记(EST)，一般长300～500bp左右，利用EST作为标记所构建的分子遗传图谱被称为转录图谱。目前植物EST计划主要集中在拟南芥〔3～5〕和水稻〔6〕上，其他植物的EST相对较少，截止到1998年12月底，在美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库中公布的各种植物EST的数目总和已达几万条(见表1)。这些EST不仅为植物基因组遗传图谱的构建提供了大量的分子标记，而且来自不同组织和器官的EST也为基因的功能研究提供了有价值的信息，此外，EST计划还为基因的鉴定提供了候选基因(candidates)。EST计划的一个不足之处在于通过随机测序有时难以获得那些低丰度表达的基因和那些在特殊环境条件下(如生物胁迫和非生物胁迫)诱导表达的基因，因此为了弥补EST计划的不足，必须开展基因组测序计划。通过分析基因组序列能够获得基因组结构的完整信息，如基因在染色体上的排列顺序，基因间的间隔区结构，启动子的结构以及内含子的分布等。
最近，Bevan等(1998)〔7〕对拟南芥第4染色体上的1.9Mb片段进行了全序列测定，结果发现拟南芥基因组中平均每4.8Kb就有一个基因存在，而且54％的基因与GenBank中已知功能的基因有同源性，56％的基因可以与GenBank中的EST相对应，大约20％的基因在该染色体片段上以基因家族的形式存在。另外,在该染色体片段中共发现5种重复成分：非编码区中的重复DNA序列、反逆转座子成分、叶绿体DNA片段、散布重复的基因家族成员，以及串联重复的基因家族成员，这些重复成分约占所测序列的19％左右。基因组序列测定所面临的困难是如何将基因的编码序列与内含子、基因间的间隔序列区分开来，通常的做法是将所获得的基因组序列与GenBank中的EST或cDNA序列进行对比以寻找外显子序列，但是对那些在GenBank中检索不到同源基因的基因组序列，就必须依赖特殊的计算机软件进行分析了，常用的计算机分析软件主要有用于人类基因组研究的GRAIL软件〔8〕和植物基因组研究的NetPlantGene软件〔9,10〕，这两个分析软件在互联网中均可免费使用，其网址如下:GRAIL:http://compbio.orn1.gov/tools/index.shtml; NetPlantGene:http://cbs.dtu.dk//services/NetGene2/。对植物来说，基因组测序计划还面临另一个困难，就是植物前体mRNA的剪接机制尚未完全阐明，因而即使利用计算机软件也很难从基因组序列中推测出基因的编码序列(外显子)。植物前体mRNA剪接的机制还因物种而异，如单子叶植物和双子叶植物前体mRNA的剪接方式就有差别。另外前体mRNA的选择性剪接(alternative splicing)方式可能也存在于植物中并对植物的发育起重要作用。对植物前体mRNA剪接机制上一页 [1] [2] [3] 下一页
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