（生物化学与分子生物学专业论文）abca亚家族在脊索动物中的进化.pdf

厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：李乳 。6 年孚月6e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 i 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：老巍曰期：口6 年g 月占日 导师签名：夏巅 日期：宣4 年子月名曰 摘要 摘要 a b c 转运蛋白( a t p b i n d i n gc a s s e t t et r a n s p o r t e r s ) 是广泛分布于真核生物和原核生 物中的一个蛋白超家族，其家族成员大都整合于细胞膜或细胞器膜上，负责不同种类 物质的跨膜运输。基于蛋白序列的同源性，人的4 8 个a b c 蛋白可分为7 个亚家族： a b c a 。a b c g 。这7 个亚家族在其它脊椎动物类群中均有发现，但与其他亚家族相比， a b c a 亚家族在进化过程中发生基因倍增和丢失频率较高。 a b c a 亚家族在脊椎动物中的动态进化，主要是由于一串a b c a 基因的不断倍增 和丢失所致。在人的基因组中，此串基因由五个基因组成，而在斑马鱼中，只包含一 个a b c a 5 基因。那么这一串基因是在脊椎动物的那个谱系开始倍增的呢? 这些新产 生的基因所受到的选择压力又是如何的呢? 为了回答上述问题，我们检索了另外9 种脊椎动物的基因组，并对它们所受到的选择压力进行分析，发现：1 此串基因在所 检索的哺乳动物中都有5 个基因组成，但狗( c a n 捃f a m i l i a r i s ) 的a b c a l 0 为假基因： 鸡( g a l l u sg a l l u s ) 和爪蟾( x e n o p u st r o p i c a l i s ) 各有3 个和4 个基因；与斑马鱼一样， 在另外两种硬骨鱼中，此串基因也都只包含一个a b c a 5 基因。2 所有脊椎动物的 a b c a 5 基因形成单的一簇，而所有非a b c a 5 基因构成另外一簇( c l a d e ) 。暗示 a b c a 5 在脊椎动物分化之前就已经产生了，而非a b c a 5 则是在四足类从硬骨鱼中分 化之后由a b c a 5 倍增而来。3 非a b c a 5 基因在四足动物中以类群特异性模式发生 快速倍增，从而在树图上形成了类群特异的枝簇( c l a d e ) ，比如西方爪蟾枝簇、鸡特 异枝簇、胎盘类枝簇和有袋类枝簇等。4 非a b c a 5 基因在倍增后受到正选择作用， 且推倒出的正选位点主要分布在碳端跨膜区域( c t m d ) 。5 哺乳动物的a b c a 6 和 a b c a 8 a 两个基因受到正选作用，说明其可能发生了功能上的分化。 为了进一步搞清楚a b c a 亚家族基因在其它物种中是如何进化的，以及脊椎动物 中保守成员是何时产生的，我们考查了现存的与脊椎动物关系最近的无脊椎动物 文昌鱼。结果在厦门白氏文昌鱼中克隆到5 个不同的a b c a 基因的部分序列，将其与 佛罗里达文昌鱼比较后，我们推断两种文昌鱼的a b c a 成员的数目和种类应该是一样 的，都包括6 个基因，它们分别是彳口c h 彬7 、a b c m 2 、a b c a 3 、a b c a 5 a 和a b c a 5 b 。 两种文昌鱼a b c a 同源基因间蛋白序列的相似性大都高于9 0 ，并且基本_ i 二都高于 人和小鼠相应基因的相似性。以a b c a 2 基因估算出两种文昌鱼的分化时间应在 摘要 5 0 m y a 左右。我们对佛罗里达文昌鱼a b c a l 4 7 基因上下游各约3 5 0 k b 范围内基因 进行分析，结果发现它们在人中的同源基因主要也分布于1 号、6 号、9 号和1 9 号染 色体上。从而证明了两轮倍增假说存在的可能性。 关键词：a b c a 亚家族；基因倍增；比较基因组 摘要 a b s t r a c t t h ea t p b i n d i n gc a s s e t t e ( a b c ) s u p e r f a m i l yo fg e n e se n c o d e sm e m b r a n ep r o t e i n st h a t t r a n s p o r tm a n yk i n d so fs u b s 舡a t e sa c r o s sm e m b r a n e s b a s e do na m i n oa c i ds e q u e n c e s i m i l a r i t i e sa n dp h y l o g e n e t i ea n a l y s i s ，4 8a b cg e n e si nt h eh u m a ng e n o m ew e r ed i v i d e d i n t os e v e ns u b f a m i l i e s ：a b c at oa b c gt h a tw e r ef o u n di na l l v e r t e b r a t e s c o m p a r e dt o o t h e rs u b f a m i l i e s ，t h ea b c ag e n ef a m i l yh a su n d e r g o n eh i g h e rr a t eo fg e n ed u p l i c a t i o n a n dl o s sd u r i n ge v o l u t i o n 3 t h ed y n a m i cp a t t e r no fa b c as u b f a m i l ye v o l u t i o nm a yb em a i n l yc a u s e db yt h e e x t e n s i v ee x p a n s i o na n ds u b s e q u e n tg e n el o s si nac l u s t e ro fv e r t e b r a t ea b c a g e n e s i n h u m a nb e i n g s ，t h i sg e n ec l u s t e rc o n t a i n sf i v ea b c a g e n e s ，b u tj u s ts i n g l eg e n e ，a na b c a 5 o r t h o l o g ，w a so b s e r v e di nf i s hg e n o m e w h e nt h i sc l u s t e rg e n e se x p a n d e dd u r i n gv e r t e b r a t e e v o l u t i o na n dw h a te v o l u t i o n a r yf o r c e sh a v ea c t e do nt h en e w l yd u p l i c a t e dg e n e s ? t oa d d r e s sa b o v e q u e s t i o n s ，w es c r e e n e d9o t h e rv e r t e b r a t eg e n o m es e q u e n c e sa n df o u n d ：1 t h i sg e n e c l u s t e ri sc o n s i s t e do f5a b c ag e n e si na l ld e t e c t e dm a m m a l s ，b u td o ga b c a i oi sa p s e u d o g e n e c h i c k e n ( g a l l u sg a l l u s ) a n df r o g ( x e n o p u st r o p i c a l i s ) h a v e3a n d4g e n e si n t h ec l u s t e rr e s p e e t i v e l y w h e r e a so n l yo n eg e n ew a si d e n t i f i e di no t h e rt w of i s hc o n s i s t e n t w i t ht h a to fz e b r a t i s h 2 a l la b c a 5g e n e st i o md i f f e r e n tt a x af o r mo n em o n o p h y l e t i c c l a d ea n dt h eo t h e rg e n e s ( h e r e a f t e rc a l l e d n o n - a b c a 5g e n e s ”) f r o ma l lv e r t e b r a t e sf o r m a n o t h e rm o n o p h y l e t i cc l a d e ，i n d i c a t i n gt h a tt h eo r i g i no fa b c a 5o c c u r r e db e f o r et h e v e r t e b r a t er a d i a t i o n ，w h e r e a st h en o n - a b c a 5g e n e so c c u r r e da f t e rt h es p l i to ft e t r a p o d s a n dt e l e o s t s 3 t h en o n - a b c a 5g e n e sr a p i d l yd u p l i c a t e di nt e t r a p o d si nal i n e a g e s p e c i f i c p a t t e r na n df o r m e dl i n e a g e s p e c i f i c c l a d e si nt h ep h y l o g e n e t i ct r e e f o re x a m p l e ， p l a c e n t a l - s p e c i f i ca n dm a r s u p i a l - s p e c i f i cc l a d e s 、e f o u n di na d d i t i o nt ot h ef r o g s p e c i f i c a n dc h i c k e n - s p e c i f i cd u p l i c a t i o n s 4 p o s i t i v es e l e c t i o ni so p e r a t i n go nt h en o n - a b c a 5 g e n e sa n dt h ep o s i t i v e l ys e l e c t e ds i t e sm a i l yl o c a t ei nc t m d 5 p o s i t i v es e l e c t i o ni s a c t i n go np a r a l o g o u sa b c a 6a n da b c a 8 a ，s u g g e s t i n gt h a tt h e s et w og e n e sh a v ep o s s i b l y a c q u i r e dn e wf u n c t i o n sa f t e rd u p l i c a t i o n t of u r t h e rc l a r i f yt h ee v o l u t i o no fa b c a s u b f a m i l yi no t h e rs p e c i e sa n dw h e nt h e 摘要 v e r t e b r a t ec o n s e r v e da b c a g e n e so r i g i n e d ，w ei n v e s t i g a t e dt h eg e n o m eo fa m p h i o x u s ，t h e c l o s e s tl i v i n gi n v e r t e b r a t er e l a t i v et ov e r t e b r a t e 5a b c ag e n e sw i t hp a r t i a ls e q u e n c e sw e r e c l o n e df r o m 丑b e l c h e r ia n d6g e n e sw e r ei d e n t i f i e df r o mbf l o r i d a eg e n o m es e q u e n c e t h e r e f o r e ，w ec o n j e c t u r et h a tt w os p e c i e sb o t hh a v e6a b c ag e n e s ，n a m e l ya b c a l 4 7 ， a b c a 2 ，a b c a 3 ，a b c a 5 aa n da b c a 5 b 。t h ep e r c e n t so fp r o t e i ni d e n t i t yb e t w e e n o r t h o l o g o u sg e n e sf r o mt w ob r a n c h i o s t a m as p e c i e sa r ea h n o s tl a r g e rt h a n9 0 a n dm o s t o ft h e ma r ea l s o l a r g e rt h a nt h a t o fh u m a n - m o u s e t h ed i v e r g e n c et i m eo ft w o b r a n c h i o s t a m as p e c i e sw a se s t i m a t e da p p r o x i m a t e l y5 0m y au s i n gt h ee v o l u t i o n a r yr a t eo f a b c a 2 t h eg e n e sl o c a t e dw i t h i n7 0 0k ba r o u n db f l o r i d a ea b c a l 4 7w e r e c h o o s e dt o p e r f o r ml i n e a g ea n a l i s i s t h er e s u l ts h o w e dt h e i ro r t h o l o g si nh u m a nm a i n l yl o c a t e do n c h r o m o s o m e s1 ，6 ，9a n d1 9 ，c o n s i s t i n gw i t ht h eh y p o t h e s i so f t w o r o u n dd u p l i c t i o n k e yw o r d s ：a b c as u b f a m i l y ；g e n ed u p l i c a t i o n ；c o m p a r a t i v eg e n o m i c s 4 第一章脊推动物a b c a 砸家族研究背景 第一章脊椎动物a b c a 亚家族研究背景 a b c 转运蛋i 刍( a t p b i n d i n gc a s s e t t et r a n s p o r t e r s ) 是广泛分布于真核生物和原核生 物中的一个蛋白超家族。大多数a b c 转运蛋白整合于细胞膜或细胞器膜上，负责不 同种类物质的跨膜运输【l _ 3 j 。a t p 结合框( a t p b i n d i n gc a s s e t t e ，又称为核酸结合区 n u c l e o t i d e b i n d i n gd o m a i n ，简称n b d ) 是鉴定a b c 转运蛋白的重要标志，其内有3 个较为保守的区段( m o t i f ) ：w a l k e r a 、w a l k e rb 和s i g n a t u r e 区( 又称c 区) ，其中w a l k e r a 和w a l k e r b 各由约8 个氨基酸组成，二者被9 0 1 2 0 氨基酸分开；s i g n a t u r e 区位于 w a l k e r b 区上游，也由约8 个氨基酸组成，是a b c 转运蛋白区分于一般a t p 结合蛋 白如激酶的标志区域。真核生物a b c 转运蛋白按结构分为两种：全分子转运蛋白 r f u l l t r a n s p o r t e r ) 和半分子转运蛋1 1 i ( h a l f - t r a n s p o r t e r ) ，前者由2 个n b d 和2 个跨膜区 组成，可以独立行使转运功能，后者由单个n b d 和跨膜区组成，必须形成同源或异 源二聚体后才具有转运功能。跨膜区一般由6 1 1 个由单个a 螺旋构成的疏水性跨膜 区段( t r a n s m e m b r a n es e g m e n t ，简写t m ) 组成。与n b d 相比，跨膜区的保守性较差， 因此认为跨膜区决定着a b c 蛋白的底物特异性 4 1 。 d e a n 等人基于蛋白序列的同源性将人的4 8 个a b c 蛋白分为7 个亚家族： a b c a - a b c g ，又可依次称为a b c l 、m d r t a p 、m r p 、a l d 、o a b p 、g c n 2 0 和 w h i t e ”。这7 个亚家族在其它脊椎动物类群中均有发现，但与其他亚家族相比，a b c a 亚家族在进化过程中发生基因倍增和丢失频率较高 5 l ，另外其成员还表现出较为密切 的疾病相关性，因此得到国内外学者的广泛关注。 1 a b c a 转运蛋白拓扑结构 a b c a 为全分子转运蛋白，一级结构从n 端依次按t m d - n b d t m d n b d 排列( 图 1 - 1 ) 。尽管几种结构简单的细菌a b c 蛋白和人的半分子蛋 刍a b c b l 已经获得晶体结构 5 1 ，但目前对于结构较为复杂的a b c a 仅限于二级结构的软件预测和生化分析。 a b c a 4 是整个a b c a 研究的焦点，对于其二级结构先前存在着不同的假定模式【7 。9 1 ， 直蛰j 2 0 0 1 年，b u n g e r t 等通过生化途径得到了与i l l i n g 假设【7 】相一致的结果，目g a b c a 4 的2 个跨膜区分别由6 个疏水t m 组成，每个跨膜区的前两个t m 都由一较长的胞外区 f e x o c y t o p l a s m i cd o m a i n ，e c d ) 分隔，每个胞外区上各有4 个糖基化位点i l 0 1 。基于当时 已有的a b c a 成员间的序列同源性，他们推测a b c a 亚家族的其他成员应该具有与 第市脊椎动物a b c a 盯家族研究背景 a b c a 4 相似的拓扑结构。同年，t a n a k a 等在对a b c a l 的研究中得到了相似的结果， 区别在j ：a b c a l 的e c d 一1 明显火j ：e c d 一2 ，并且t m l 可能在蛋白的后续加工过程中被 信号肽酶剪掉】。随后对克降到的a b c a 其他成员拓扑结构的研究结果应验了b u n g e r t 的假设 1 2 - 15 i ，并且进一步发现与e c d 一2 相比，彳i 同成员问e c d 一1 序列长度差别较大， 相似性较差。因l k e c d 1 的氏度直接决定整个蛋白的大小【”i ，这也使得几个a b c a 成 员成为整个a b c 家族巾序列最长的代表，如人的a b c a l 2 和a b c a l 3 分别由2 5 9 6 年h 5 0 5 8 个氨基酸组成旧1 ”。 l 虞* * s圄墨圈圈圈圈国圈圈圈圈囵 n b d ln b d 2 图1 1 典型a b c a 转运蛋白的拓扑结构 7 f ：e c d 表小胞外区；t m 表小跨膜区段；n b d 表1 i 桉畦结合区；黑巴网球分别表小w a i k e r a w a l k e r b i 千q l s i g n a t u r e 区( 仿z i b k l 7 1 ) 。 2 a b c a 亚家族基因的进化 与其他亚家族相比，a b c a 只发现于多细胞生物f l “，并且其基因倍增和丢失的频 率最高【5 j 。人的a b c a 亚家族山1 2 个成员组成( 表1 1 1 根据系统关系i 干u 基闪结构( 外显 子与内含子分布) ，d e a n 等将它们分为两组，第一组包括7 个基凼b c a ，、a b c a 2 、 a b c a 3 、a b c a 4 、a b c a 7 、a b c a l 2 、a b c a l 3 ) ，分和存6 条不刖的染色体h 第二 组包括5 个基冈似b c a 5 、a b c a 6 、a b c a 8 、a b c a 9 、a b c a i o ) ，它们串联分布证染色 体1 7 q 2 4 ) 2 ”。近几年，先后有两个实验小组先后从小鼠l _ 】克隆到4 个a b ( a 3 n 关的基 n ( a b c a l 4 - a b c a l 7 ) 1 81 9 1 。因此，我们将爿b ( _ 3 及其相天基凼独立作为一组，这样 原先的第细只抱括6 个基因，第二纽仍为5 个基因。 2 1a b c a i 、a b c a 2 ，a b c a 4 、a b c a 7 ，a b c a l 2 d a b c a l 3 存这组基冈中，除a b c a l 3 只存在_ j 二鸟类和哺乳类外，其余5 个存在j ：所有脊椎 动物中舾i 。b r o c c a r d o 等对当时已知基凶结构f e j a b c a l 、a b c a 2 、a b c a 4 7 r i i a b ( _ 7 四个 第一章脊椎动物a b c a 砸家族研究背景 基因的外显子、内含子结构比较发现，它们在编码n b d 和t m d 区域上的外显子、内 含子结构较为保守【。”，尤以a b c a l 、a b c a 4 和a b c a 7 较为明显( 表1 2 ) 。比较4 b c a l 2 和4 b 翻j 妯q 基因结构，也发现两者拥有1 9 个同样大小的外显子。除上述两亚组内部 成员问具有相似的基因结构外，6 个基因之间也有个别外显子大小相同。系统关系和 基因结构的相似或许暗示它们是由同一个祖先拷贝倍增而来。另外硬骨鱼的a b c a l 和一b c a 4 各发生了一次独立的倍增，产生了各自相关的基因i ”。 表卜1 人的a b c a 转运蛋白 注：a b c a l 4 a b c a l 7 往人基因组中为假基因，没有列出。 表卜2 人的a b c a i 、a b c a 4 、a b c a 7 和a b c a 2 基因结构比较 a b c a la b c a 4a b c a 7a b c a 2 a 8 c a i 爿b c 一42 9x 1 = 2 6 一日c 72 82 3 一b c ?767x 2 = 6 7 注：表格内的数值为基因问相同外显了的个数，x 。为a b c a i 、a b c a 4 和a b c a 7 一, i 两之间相劂外显了数日的平均 值。i 2 为矗叫2 分别与b c _ ，爿b 口4 和一口d 7 相 n j 外显子数目的平均值。 2 2 a b c h 5 及相关基因 这一组包括5 个基因：a b c a 5 及其4 个相关基因似b c a 6 ，a b c a 8 ，a b c a 9 和 a b c a l 0 1 ，它们以头尾相连的形式分布于人的1 7 q 2 4 染色体上，具有相似的外显子内 含子结构，清晰地表明它们是基因倍增的产物【2 0 1 。小鼠的1 1 号染色体上也存在5 个与 第一章脊椎动物a b c a 家族研究背景 n n n n 基n ：彳6 5 、a b c a 6 、a b c a 8 a 、a b c a 8 b 和a b c a 9 ，系统分析发现小鼠和人各 发生了一次种内特异性的基因丢失。这串基因在家鸡( g a f f “sg a l l u s ) 中有三个，而 在硬骨鱼中只有一个祖先拷4 b c h 5 【5 】( 图1 - 2 ) 。 t e q h a o d o n a b c a 抽, 朋 c 瓤 a b c a 9 a b c a 6柚c a 5 a b c a 2 s b c 2 4 b c 5 e 三 e 三 一c 歪三) 图1 - 2 a b c a s , 及其相关基因在人、小鼠、鸡和黑青斑河豚中的比较 沣：此图没有按基因组大小比例来画。箭头表示转录方向。 2 3 a b c a 3 及相关基因 就目前的资料，这一亚家族应包括爿b c a 3 及a b c a l 4 - a b c a l 7 等5 个基因。其中 a b c a 3 存在于所有脊椎动中【卯。b a n 等在大鼠( r a t t u sn o r v e g i c u s ) 、小n ( m u sm u s c u l u s ) 中克隆到4 曰c j 7 基因，发现其与4 b 翻3 同源性最高，并且其在染色体上的位置与 爿b 例3 近邻1 8 1 ( 图1 - 3 1 ，但由正负链分别编码。狗f i j a b c a l 7 与其一b c m 3 在染色体上的 分布与大鼠、小鼠一致。d e a n 等认为人和黑猩猩的a b c a l 7 基因已经蜕变成假基因蟑1 ， 墟c a l 7 墟c 3蛆c 1 6 _ a b c a l 5 -a b c a l 4 匕兰兰) 叫兰量h 一_ 二二二卜_ 二二) 二二二) _ a d 3 c a i a b c a sa b c a i 4 b c 1 5 a b c a l 6 兰三) - 二曼 卜- 二三芰 _ _ 三兰立卜匕三甜 e h r l 7 c h r 7 a b c a l 7 b c 3 a b c a l 6a b c a l 5 a l l c a l 4 臣曼三 _ c 三三) 一_ ! 三 _ ! 三二卜_ 三三 - c l 吐c l a n c k a - 1 4 x e n o p u s c e d f o l d _ 1 2 t e t r a o d o n c h r 3 图1 - 3 a b c a 3 2 乏其相关基因在几种代表性脊椎动物中的比较 注：此幽没有按基因组大小比例米i 硼。箭头表永转录方向。星0 表1 i 此基为似基区l 。 潍勰耋i 訾= ：9 主一 第一章脊椎动物a b c a 亚家族研究背景 基因组预测也都发现人和黑猩猩的a b c a l 7 基因( 序列号：x m3 7 2 6 0 9 和x m5 2 3 2 6 6 ) 因发生移码突变而导致终止密码子的提前出现，但在g e n b a n k 却有2 段人i 拘a b c a ，7 基 因的e s t 序列f 序列号：d n 8 3 1 2 0 6 和d n 8 3 1 2 0 5 ) ，这些结果说明人的a b c a l 7 基因的启 动子仍具有活性，但转录产物将会因得不到正确的加工和拼接或翻译的提前终止而不 能合成具有功能的蛋白。c h e n 等f 1 9 1 人在小鼠中克隆到另外3 个a b c a 3 相关基因： a b c a l 4 、a b c a l 5 、a b c a l 6 。它们串联分布在染色体7 f 3 上( 图1 - 3 ) ，具有相似的基因 结构和较高的序列同源性，因而推测是基因倍增的产物。这串基因同样存在于狗和大 鼠的基因组中，但在人和黑猩猩中同样变成了假基因【5 ，9 1 。另外对小鼠一b c a 3 及相关 基n ( a b c a l 4 a b c a l 7 ) 的基因结构进行比较，发现除了a b c a l 4 - a b c a l 6 具有相似外 显子内含子结构外，5 个基因之间都表现出几乎同等程度的相似性( 表l 一3 ) 。除了硬骨 鱼外口1 ，家鸡和非洲爪蟾的基因组中也都只找到了a b c a 3 基因，由此推测爿b c a 3 是最 原始的拷贝，而其他相关基因是在哺乳动物分化后产生的。 表1 _ 3 小鼠a b c a 3 及其相关基因的基因结构比较 a b c a l 4a 8 c a l 5a b c a i 6a b c a l 7a 8 c a 3 e c 1 4 x 2 = 1 53 a 8 c a l 51 7x l = 1 53 a 8 c a l 61 61 3 a 8 c a i 71 81 51 6 a 8 c a 31 51 41 21 7 注：表格内的数值为基冈阃相同外显了的个数。又。为爿占( _ ，4 叫占c 爿，6 两荫之问相同外盟于数日的平均值。x 2 为a b c a 3 及其相关基因两两之间相同外姓子数日的平均值。 3 a b c a 基因的功能研究 3 1a b c a l a b c a i 在胆固醇的逆向运输过程中发挥重要作用，其基因突变会引起一系列以 胞内胆固醇积累为症状的疾病，如丹吉尔疾病( t a n g i e rd i s e a s e ) t 2 ”，家族性低a 脂蛋白 血症f 细n i l i a lh y p o a l p h a l i p o p r o t e i n e m i a ) 2 2 1 和冠心病等。 关于a b c a l 等进行胆固醇的胞外运输的机制目前存在着2 种假设。一种假设认为 a b c a l 通过调节细胞膜的脂环境先将磷脂转移至膜的外层，得以使其能与胞外的载 脂蛋白a i ( a p o a i1 结合。两者的结合使磷脂从质膜中解离，并伴随着胆固醇的胞 外运输【2 3 1 。相反，另一种假设认为a p o a i 与a b c a l 的胞外区作用激活a b c a l 将磷 9 第一章脊椎动物a b c a 亚家族研究背景 脂和胆圃醇向胞外运输【2 4 1 。转运到胞外的磷脂和胆固醇再与a p o a i 上的受体结合形 成初始高密度脂蛋白( h i 曲- d e n s i t yl i p o p r o t e i n ，h d l ) ，并从a b c a l 上解离出来。 f i t z g e r a l d 等随后的研究更倾向于支持第二种观点，首先他们发现a b c a l 的胞外区 e c d 1 和e c d 2 上的某些位点突变会影响a b c a i 与a p o a i 的相互作用【2 5 】；再者使用7 种类a p o a i 的两性蛋白与a p o a i 竞争结合和交联反应，发现所有7 种蛋白都能激活 胆固醇的胞外运输，并竞争抑带1 a p o a i 与a b c a l 的结合犯6 1 ；最后他们发现位于 a b c a l 的c 端氨基酸为v f v n f a 的序列) b a p o a i 结合至f j a b c a l 所必须【2 7 】。但奇怪 的是这段序列位于胞质区，并不能与a p o a i 直接相互作用，因此a p o a i 与a b c a l 结合可能受到胞内其他元件与v f v n f a 序列作用的凋节【2 7 】。 3 2a b c a 2 a b c a 2 基因主要表达于脑组织，编码一种位于溶酶体膜上的糖蛋 2 8 ，3 0 1 。序 列分析发现，a b c a 2 含有一段与胆固醇、脂类及类似分子的跨膜运输相关的l i p o c a l i n s 的序列【2 8 】，k a m i n s k i 等发现巨噬细胞对胆固醇的吸收可以诱导a b c a 2 的表达 2 9 】。 另外，l a i n g 等发现卵巢癌细胞a b c a 2 的高表达有利于雌二醇氮芥的膜外运输【3 1 】。 基于以上事实，说明a b c a 2 可能在维持中枢神经系统胆固醇和脂类平衡中起重要作 用【2 8 】。 3 3a b c a 3 a b c a 3 基因主要由肺部组织的i i 型细胞表达，其编码的蛋白位于i i 型细胞内类 似溶酶体的环层体( 1 a m e l l a rb o d i e s l 外膜上【3 2 】。i i 型细胞负责合成富含脂质的肺表面活 性剂，并将其暂储存在片状体内，最后分泌到肺泡的表面，而4 b c a 3 基因某些位点的 突变可造成新生儿致命的肺部表面活性剂缺陷症【3 3 l 。因而a b c a 3 可能在表面活性剂 的磷脂代谢及环层体形成过程中发挥作用【3 3 】。 4 + a b c a 3 相关基因都特异性表达于小鼠的睾丸组织1 9 1 。原位杂交表明小鼠 a b c a l 7 分布于精细胞、输精管，特别是精母细胞【1 8 l 。对转染有小鼬b c a l 7 基因的 h e k 2 9 3 细胞研究发现其胞内脂类含量降低，说明a b c a l 7 在精细胞的脂类代谢过程 中发挥作用嵋】。但对于这4 个基因在睾丸组织中的确切功能尚待进一步的研究。 3 4a b c a 4 视网膜上棒状和锥形光感受细胞的外侧部分高度特化，由超过5 0 0 个膜包裹的圆 盘结构组成。a b c a 4 基因特异性表达于这些圆盘的外侧膜卜- ，其基因突变与遗传性黄 斑部变性( s t a r g a r d t ) 等视网膜病变疾病相关【3 4 ，35 1 。体外实验表明全反式视黄醛 第一章脊椎动物a b c a 砸家族研究背景 ( a l l - t r a n s r e t i n a l d e h y d e ) f 1 诱导a b c a 4 的a t p 水解酶活性，说明全反式视黄醛可能是 a b c a 4 的特异性底物【3 6 i 。但b e h a r r y 等后来发现a b c a 4 对n 视黄基磷脂酰乙醇胺 ( n - r e f i n y l i d e n e - p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e ) 结合能力比对全反式视黄醛的更强，并认为 a b c a 4 负责将n 视黄基磷脂酰乙醇胺从光感受细胞外侧部分圆盘内输出 3 7 】。这一 假设与a b c a 4 基因敲除小鼠经光照后，其光感受细胞外侧部分n 视黄基磷脂酰乙醇 胺含量上升的结果一致口8 1 。但n 一视黄基磷脂酰乙醇胺和磷脂酰乙醇胺所合成的n 视 黄基n 视黄基乙醇胺f n r e t i n y l i d e n e - n - r e t i n y l e t h a n o l a m i n e ，a 2 e ) 脂褐质( 1 i p o f u s c i n ) 是 如何在4 b c a 4 基因敲除小鼠的视网膜色素上皮细胞( r e t i n a lp i g m e n te p i t h e l i u m ，r p e ) 内形成积累的口8 3 9 l ，目前还不清楚，可以肯定的是a 2 e 的积累对r p e 细胞产生毒副作 用f 3 9 1 ，并最终导致光感受细胞的病变。 3 5 a b c a $ 及其相关基因 a b c a 5 基因表达于各种组织中，但以睾丸组织为主f 1 2 ，2 0 ，4 ”，a b c a 5 是构成溶酶 体膜和内吞体膜的一种膜蛋白1 4 1 。a b c a 5 基因敲除小鼠表现出类似溶酶体病变相关的 症状，如水肿，充血等。具体表现为心脏肿胀，进而引起肝脏受损，最后导致心肌梗 塞而死亡【1 4 1 。 巨噬细胞对胆固醇的吸收抑制彳b c a 6 ，a b c a 9 秉q a b c a l 0 基因的表达，因此它们 可能参与维持脂类和胆固醇的平衡4 2 刮，与它们不同的是a b c a 8 可能在致癌物质的 胞外运输中发挥重要作用【4 5 1 。所有爿b c a 5 相关基因都表达于各种组织，并且各自呈现 出不同的组织特异性 1 2 , 2 0 。 3 6 a b c a 7 a b c a 7 基因与其t 也a b c a 基因家族成员中的a b c a l 同源性最高，主要表达于外周 淋巴细胞、胸腺、脾脏、骨髓等髓样淋巴( m y e l o l y m p h a t i c ) 组织及其他一些组织中， 如肺部、肾上腺、大脑、血小板等，而在在肝中的表达量较低4 7 - 4 9 1 。体外实验表明 a b c a 7 f l b 像a b c a l 秀 i 样与a p o a i 结合，并诱导卵磷脂和鞘磷脂的胞外运输h 9 。5 们。与 a b c a l 不同的是，a b c a 7 可能只有在表达量较高时才能对胆固醇的输出有微弱的促 进作用1 5 0 1 。对a b c a l 和a b c a 7 所形成的高密度脂蛋白组成分析发现a b c a l 参与形成 的h d l 有2 种：富含胆固醇大颗粒的h d l 和胆固醇含量较少的小颗粒h d l ，而a b c a 7 形成的主要是胆固醇含量较少的小颗粒h d l1 5 1 ，这说明a b c a 7 与a b c a i 在胆固醇的 胞外运输中所承担的角色有主次之分。奇怪的是降低小鼠a b c a 7 表达或敲除小鼠 a b c a 7 都不会影响巨噬细胞对胆固醇和磷脂的输出5 2 1 ，与野生型唯一的差别是 第一章脊椎动物a b c a 亚家族研究背景 a b c a 7 基因缺失的母鼠内脏脂肪、血清及高密度脂蛋白一胆固醇含量略低【5 2 1 。这些结 果说明a b c a 7 尽管可能在脑和脂肪组织中参与脂肪的代谢，但对小鼠胚胎发育及出 生后的生长作用不大【5 2 1 。 3 7 a b c a l 2 、a b c a l 3 位于a b c a l 2 第一个n b d 某些位点的非同义突变引起较为温和的2 型板层状鱼鳞 病( 1 a m e l l a ri c h t h y o s i s ，l 1 2 ) 1 5 3 1 ，而移码突变或长片段的缺失导致致命的斑色鱼鳞癣 f h a r l e q u i ni c h t h y o s i s ，h i ) t 5 4 ，5 5 i 。h i 是一种隐性遗传病，患者表皮角质化细胞不能形 成正常的片状体( 1 a m e l l a rg r a n u l e s ，l g ，一种类似于溶酶体的细胞器) 和有效的脂类分 泌。a k i y a m a 等发现a b c a l 2 定位于正常表皮角质化细胞的l g 外膜上，说明a b c a l 2 可能在l g 的形成以及表皮角质化细胞脂类的胞外运输过程中发挥重要作用f 5 5 】。有趣 的是，与a b c a l 2 类似，a b c a 3 定位于肺泡i i 型上皮细胞的环层体外膜上【3 2 l ，两者的 突变分别导致陆生脊椎动物所特有的肺部1 3 2 1 和皮肤疾病陋55 1 ，而a b c a 3 和a b c a l 2 存在于所有脊椎动物。对于这种现象有2 种解释，种是水生脊椎动物存在着类似陆 生脊椎动物的肺泡i i 型上皮细胞和表皮角质化细胞或其过渡类型，另一种解释为 a b c a 3 和a b c a l 2 在脊椎动物从水生到陆生后获得了新的适应性功能。a b c a 3 或许 适合于前一种解释，因为硬骨鱼的表面活性剂与哺乳动物肺泡i i 型上皮细胞分泌的表 面活性剂分别由相似的成分组成【5 6 1 。对于a b c a l 2 适合于那一种解释目前还不清楚。 a b c a l 3 是目前已知最大的a b c 转运蛋白，主要表达在人的气管、睾丸和骨髓中 1 3 l 。a b c a l 3 基因坐落在7 p 1 2 3 染色体上，这个区域被认为与骨髓增生异常综合症 ( s h w a c h m a n - d i a m o n ds y n d r o m e ) 和i n m 7 疾病相关，因i 比a b c a l 3 可能是产生这2 种疾 病的候选基因【1 3 1 。 参考文献： 1 】d e a nm ，h a m o ny c h i m i n ig t h eh u m a na t p - b i n d i n gc a s s e l t e ( a b c ) t r a n s p o r t e rs u p e r f a m i l y j 】 jl i p i dr e s ，2 0 0 1