鲤GST基因超家族的识别及进化研究

（河南师范大学水产学院，河南新乡453007）

谷胱甘肽转移酶 （Clutathion S-transferases，GSTs）主要功能是催化有害物质的亲电子团与还原型谷胱甘肽的巯基耦联，从而达到分解有害物质的目的[1,2]。植物有两种特有GST基因分别是Phi和Tau，这两种GST基因在植物中分布很广，数量丰富[3,4]。人们最早在玉米中发现植物的GST基因[5]，在此之后有许多GST基因陆续从大豆、水稻中被鉴定和克隆出来[6-8]。GST基因在植物中的研究比较多，在动物和人类中研究较少。在脊椎动物里，GST基因主要功能是催化亲和电子与还原型谷胱甘肽的巯基结合，使这些疏水性化合物变成水合物，减轻毒性，使其从胆汁或者尿液中排出[9]。鲤是世界上最重要的硬骨鱼类之一，具有重要的食用价值和观赏性，在全球淡水养殖产业中占有很高比重[10,11]。随着生物技术的发展，鲤全基因组的测序工作已经完成，而鲤进化过程中的全基因组复制现象，也为全基因组复制后基因进化的研究提供了良好的材料[12,13]。

本文通过序列下载和比对，构建系统发育树，然后对鲤GST基因家族进行命名。通过研究鲤GST基因家族在进化过程中的数量变化，探讨了GST基因家族中的表达和作用。本文为鲤的基因进化研究提供了一定的借鉴，对鲤优良品种选育具有一定的参考价值。

1 试验方法

1.1 数据搜集和序列比对

在NCBI文库中下载8个物种即小鼠（Mus musculus）、人 （Homo sapiens）、斑马鱼 （Danio rerio）、鲢鱼 （Hypophthalmichthys molitrix）、鲫鱼（Carassius auratus）、草鱼（Ctenopharyngodonidellus）、斑点叉尾鮰（Ictalurus punctatus）、尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus） 的GST基因序列。然后利用斑马鱼GST基因蛋白序列在鲤全基因组数据库中进行比对，获取鲤同源GST基因序列。

1.2 系统发育关系分析

应用MEGA6进行系统发育分析，使用相近邻接法（NJ） 对鲤等物种的GST基因家族构建系统发育树，bootstrap设定为1000。哺乳类动物和鱼类的GST基因分别聚合在一起，说明GST基因家族在进化上具有一定的保守性。各物种之间的亲缘关系越近，GST基因的相似度越高。

1.3 基因命名

基于比对结果和系统发育树对鲤GST基因家族进行命名，将鲤GST基因与斑马鱼基因进行比对，根据斑马鱼GST基因名称来命名鲤GST基因，如果鲤的GST基因具有多个拷贝，便在GST基因拷贝后添加字母后缀 （例如 GSTM1A、GSTM1B、GSTM2A、GSTM2B等）。

2 结果

2.1 GST基因家族对比及描述

不同物种GST基因家族成员数量对比情况如表1所示。其中GSTM、GSTT、GSTZ三个亚类基因，鲤的基因个数分别是4个、6个、2个，均为斑马鱼的两倍；GSTO、GSTK两个亚类基因，鲤的基因个数都是3个，而斑马鱼的基因个数分别是2个、1个，比斑马鱼的基因多；GSTP亚类基因，鲤的基因个数和斑马鱼相同；GSTA、GSTR两个亚类基因，鲤的基因个数分别是1个和0个，比斑马鱼的基因少。

表1 9种脊椎动物GST基因家族数量对比Table 1 Comparison of GST gene families in 9 vertebral animals

鲤GST基因家族蛋白序列基本信息，如表2。分析发现鲤GST基因一共21个，包含4个GSTM，3个GSTO，2个GSTP，6个GSTT，2个GSTK以及1个GSTA基因，其中鲤部分GST基因数目比斑马鱼多，甚至是斑马鱼的两倍，但也存在比斑马鱼GST基因少的现象。其中CDS编码区长度为528-741 bp之间，其中外显子个数在3-9之间。

表2 鲤GST基因家族基本信息Table 2 Basic information of GST gene family of common carp

2.2 鲤GST基因家族的系统发育分析

基于GST基因蛋白质序列使用相近邻接法构建系统发育树，结果显示GST基因家族分为GSTM、GSTP、 GSTA、 GSTT、 GSTR、 GSTO、 GSTZ 和GSTK8个亚类。每个GST基因的亚类都分别聚类，说明GST基因家族具有一定的保守性。并且发现人和鼠的GST基因基本上聚类紧密，而鱼类聚类紧密，说明哺乳动物和鱼类之间均具有一定的保守性。（见图1）

图1 鲤等物种GST基因家族系统发育进化树Figure 1 GST gene family system evolution tree of common carp and other species

3 讨论

对鲤等物种GST基因家族构建的系统发育树进行分析，发现在GSTM这一亚类中，草鱼、鲢鱼、尼罗罗非鱼中均有1个GST基因，斑马鱼有两个GST基因，鲤有4个GST基因。在GSTT亚类中，斑马鱼有3个GSTT基因，鲤有6个GSTT基因，同样符合鲤比斑马鱼在进化过程中多复制一次的事实。这个结果证明了鲤基因组在进化过程中比斑马鱼多复制一轮[14]。在聚类次数上我们发现，人和鼠的GST基因聚为一支，而鱼类的GST基因聚为一支，说明哺乳动物GST基因的亲缘关系较近，而鱼类GST基因的亲缘关系较近。在鱼类和哺乳动物的进化过程中，GST基因会随之发现变化，导致鱼类GST基因与哺乳动物GST基因会发生些许差异。但在物种进化过程中，因为遗传进化而导致的基因之间的差异会越来越大[15]。

在GSTP亚类中，斑马鱼有2个基因，而鲤正常来说应该有4个GST基因，但实际只有两条，说明鲤GST基因并非全是斑马鱼的两倍，一些GST基因的数量会出现较大差异。虽然在GST的复制上鲤比斑马鱼多了一轮全基因组复制，但在复制过程中也会伴随着某些基因的丢失，在鲤GSTP亚类中可能丢失两条GST基因，所以鲤和斑马鱼均为2个GST基因。在GSTA亚类中，斑马鱼有2个GSTA基因，而鲤却只有1个，此现象验证了上述理论，即在进化过程中全基因组的复制总会伴随着有基因丢失的现象。

目前关于鲤GST基因功能的研究还较少，目前已知的是GST基因与动物代谢排毒的过程有着密切的联系[16]。因此，对鲤的GST基因更深入全面的了解，为鲤的基因进化研究提供了一定的借鉴，对鲤优良品种选育具有一定的参考价值。