非洲爪蟾的碱性螺旋-环-螺旋转录因子的鉴定与初步分析 Genome-Wide Survey, Identification and Preliminary Analysis of Xenopus Laevis Bhlh Transcription Factors

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Hans Journal of Biomedicine 生物医学, 2011, 1, 6-16

http://dx.doi.org/10.12677/hjbm.2011.11002 Published Online July 2011 (http://www.abtbus.com/journal/hjbm/)

Genome-Wide Survey, Identification and Preliminary

Analysis of Xenopus Laevis Bhlh Transcription Factors

Wuyi Liu 1,2

1 Department of Biology Science, Fuyang Normal College, Fuyang

2 Department of Scientific Research, Fuyang Normal College, Fuyang

Email: lwycau@yahoo.com.cn

Received: Ma y 15th, 2011; revised: Jun. 25th, 2011; accepted: Jun. 30th, 2011.

Abstract:The basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factors play essential roles in the regulation of

eukaryotic growth and development and gene transcription. In this study, we conducted a genome-wide

survey using the Xenopus Laevis ongoing genome project databases, and identified 98 bHLH sequences in

Xenopus Laevis genome. Phylogenetic analyses revealed those bHLH genes belong to 32 families in the

super-groups (A-F) in this research. Gene Ontology (GO) enrichment statistics showed 42 significant GO

annotations counted in frequency. Statistical analysis of the Gene Ontology annotations showed that these 98

bHLH proteins tend to be related to transcription regu lator activity (GO: 0030528), regulation of transcription

(GO: 0045449), DNA binding (GO: 0003677), transcription (GO: 0006350), DNA-dependent regulation of

transcription (GO: 0006355), expected from the common GO categories of transcriptional factors. A number

of bHLH genes play regulation significant role in special development or physiology processes, such as

muscle organ development and eye development. This preliminary study provides useful information for

further researches on Xenopus Laevis.

Keywords: Transcription Factor; Gene Ontology; Genome-Wide Analysis

非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的

鉴定与初步分析

刘武艺 1,2

1 阜阳师范学院生物系，阜阳

2 阜阳师范学院科研处，阜阳

Email: lwycau@yahoo.com.cn

收稿日期：2011年5月15日；修回日期：2011年6月25日；录用日期：2011年6月30日

摘要：碱性螺旋–环–螺旋(bHLH)转录因子在真核生物的生长发育相关的基因表达调控过程中发挥

着重要的作用。本文根据现有非洲爪蟾基因组数据，利用生物信息学方法初步鉴定爪蟾的 bHLH基因，

收集了其结构、家族分类和 GO 功能富集等信息，进行了初步分析。结果，在非洲爪蟾基因组数据库

中共发现 98 个 bHLH转录因子，它们可以分别归到 6大组 (A-F) 的 32 个亚家族中。通过基因本体论(GO)

的富集分布统计发现有 42 个显著富集分布的GO注释语句，其中转录调控活性(GO: 0030528)、转录

调控 (GO: 0045449) 、DNA结合(GO: 0003677)、转录(GO: 0006350)和DNA依赖的转录调控(GO: 0006355)

等出现的频率很高，表明这些 GO术语是爪蟾 bHLH基因的共同功能；此外，许多爪蟾bHLH基因在

一些重要的发育或生理过程 (如肌肉器官和眼的发育 )中发挥着重要的调控作用。这些研究结果将有助

于进一步的研究。

关键词：转录因子；基因本体论；基因组分析

1. 引言

转录因子 (transcription factor) ，又称反式作用因

子，指能够与真核基因顺式作用元件 (cisacting

element) 发生特异的相互作用并对转录有激活或抑制

作用的 DNA 结合蛋白，转录因子调控复杂的蛋白间

互作网络 [1] 。典型的转录因子含有DNA结合区、转

刘武艺非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的鉴定与初步分析 |

录调控区、寡聚化位点及核定位信号区等 [1-5]。有关转

录因子结构和功能的研究是动植物分子生物学研究

的前沿领域，转录因子因其含有 DNA 结合蛋白的不

同可以划分为不同的基因家族 [1-3]。碱性螺旋–环–螺

旋 (basic helix-loop-helix，bHLH)转录因子是目前最大

的转录因子家族之一，并被公认为在细胞增殖与分

化、肌肉形成、神经元、肠和血、性别决定等遗传发

育过程中具有重要作用 [4-8]，许多课题组对bHLH转录

因子展开了研究。最早报道的是鼠转录因子 E12和

E47 [9] ，后来的研究将动物bHLH转录因子划分为6

大类，这些大类又细分为 45 个亚类或蛋白家族

[4,6,10,11] 。现在，动物的bHLH家族成员的分类、进化

及功能分析现已积累大量资料，且基本清楚各家族组

成及成员的功能。由于生物物种基因组测序和全基因

组草图绘制工作的陆续完成，越来越多的转录因子被

分析和鉴定出来，这就为从整体上研究某物种转录因

子的功能和进化等重要问题提供了可能。因此，从全

基因组角度研究某一类型的转录因子或调控因子具

有重要的意义。现今，动物 bHLH 转录因子家族已经

在人、小鼠、大鼠、鸡、蚕、蜜蜂等许多物种的基因

组中被鉴定和研究 [4-17]。但在非洲爪蟾(Xenopus laevis)

基因组中尚未进行有关的研究。

非洲爪蟾是较早用于生物医学的重要模式动物

之一 [19] 。本研究以Atchleyet al. (1999)的bHLH转录

因子分类原则 [10] ，Ledent et al. (2001, 2002)定义的45

个 bHLH代表性基序(domains)和118个人bHLH基因

序列为鉴定标准 [6,11] ，从非洲爪蟾的基因组数据库鉴

定出 98 个 bHLH 转录因子，进行基因本体论(Gene

Ontology ，GO)富集分析，以期分析和了解这些bH LH

基因的功能信息。

2. 材料与方法

2.1. BLAST 搜索和 bHLH转录因子的鉴定

根据 Atchleyet al. (1999)的bHLH转录因子分类

原则和 Ledent et al. (2001, 2002)定义的45个代表性

bHLH 基序 [6,11] 进行 TBLASTN和BLASTP，搜索候选

bHLH 基序。其中，每条序列都被用于对NCBI的非

洲爪蟾的基因组数据库 [19] 进行反复搜索(http://

www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/frog/) ，搜索的严

谨值设为 E< 10，以获取所有可能的 bHLH 序列。同

时，我们也检索蛙蟾数据库 Xenbase[20] ，最后根据

scaffold 或基因克隆(genomic clone) 的编号、编码区、

基因和蛋白获取号、序列比对的结果等信息，去除冗

余序列，得到最终采用的 bHLH 因子序列。

2.2. 序列比对和基序比较

通过 BLAST 搜索得到的爪蟾蛋白质序列，用

ClustalX 2.0 [21] 进行比对，接着用GeneDoc 2.6[12]做保

守序列的分析和比较。

2.3. 基因本体 (Gene ontology，GO)注释的富集

分布分析

利用 DAVID 生物信息工具[22,23]做GO注释的富

集分析，富集分布的显著性 P值和假阳性率 (False

positive rate ， FDR)均被控制在0.05以下。

2.4. BHLH 同源基因的系统发育分析

系统发育分析 (Phylogenetic analyses)用最大似然

估计软件 PHYML 2.4.4[24]和贝叶斯推断软件Mrbayes

3.12 [25] 进行系统发育树推断。其中，贝叶斯推断采用

两个独立的马科夫链进行推断 ( 进行 14,000,000步马

科夫链抽样，抽样频率为每代抽样 100个 ) ，取50%

一致树作为最终的系统发育树。

3. 结果与讨论

3.1. 爪蟾 bHLH转录因子的鉴定

利用上述 bHLH 代表性基序、TBLASTN和

BLASTP 算法及系统发育分析，搜索鉴定得到了 98

条爪蟾的 bHLH 序列 ( 图1、表1)。图1所示的bHLH

转录因子名称通过与人的同源序列 (homolog)的系统

发育树分析得到。若一条人的 bHLH 因子拥有两个以

上爪蟾同源序列，我们将之分别标注为 a、b、c，或1、

2 、 3等名称。例如，人的Hath5和Hath4a在爪蟾基

因组中发现有两个同源序列，那么爪蟾的相应同源序

列就会被命名为 Xath5a、Xath5b，和Xath4a1、Xath4a2。

本研究发现，爪蟾的 98 个 bHLH转录因子分别有 39、

22 、13 、 5、16和3个因子可以被归类到6个高阶组

(high-order group)A-F 的 32个小家族；而某些小家族，

如 Mist 、Beta3、Oligo、Net、Delilah、MyoRb、PTFa、

TFb 、AP4、MLX和TF4等家族的成员没有P

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Figure 1. Alignment of 98 Xenopus laevis bHLH domains (conserved sites are shaded and highly conserved sites are shaded in black)

图 1. 98个非洲爪蟾bHLH基因基序的蛋白质序列信息(保守位点被涂上了阴影，其中高度保守的位点涂布了黑色的阴影)

刘武艺非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的鉴定与初步分析 |

Table 1. 98 bHLH genes in phylogenetic analysis and protein identification information

表 1. 98个bHLH基因的系统发育分析和蛋白质鉴定信息

各因子与人同源序列的系统发育分析信息

bHLH

基因家族

基因

名称同源基因ML自展值(%)BI后验概率(%)

蛋白质获取号

ASCa Xash 1Hash1n/m*80 NP_001079247.1

ASCa Xash 2Hash296 67 NP_001085994.1

ASCb Xash 3 a

Hash 3 a

Hash 3 b

Hash 3 c

n/m n/m NP_001079106.1

ASCb Xash 3 b

Hash 3 a

Hash 3 b

Hash 3 c

n/m n/m NP_001079125.1

MyoD Myf 3a Myf393 83 NP_001079366.1

MyoD Myf 3b Myf393 83 NP_001081292.1

MyoD Myf 4a Myf482 99 NP_001079326.1

MyoD Myf 4b Myf488 99 NP_001079199.1

MyoD Myf 5Myf5 51 59 NP_001095249.1

MyoD Myf 6a Myf6n/m*94 NP_001081477.1

MyoD Myf 6b Myf6n/m*94 NP_001088572.1

E12/E47 E 2A E2 A82 n/m NP_001080409.1

E12/E47 TCF 3TCF3n/m*88 NP_001079668.1

Ngn Xath4a1Hath4a 97 100 NP_001081802.1

Ngn Xath4a2Hath4a 97 100 NP_001081804.1

Ngn Xath4b Hath 4 b 83 91 NP_001128257.1

NeuroD NDF 1NDF1 82 97 NP_001079263.1

NeuroD NDF 2NDF2 82 97 NP_001085596.1

Atonal Xath 2Hath2n/m*79 NP_001079218.1

Atonal Xath 3Hath3 97 99 NP_001081213.1

Atonal Xath5a Hath 5 95 100 NP_001079289.1

Atonal Xath5b Hath 5 95 100 NP_001079290.1

Mesp Mesp1a

Mesp 1

Mesp 2

pMesp 1 n/mn/mNP_001128698.1

Mesp Mesp1b

Mesp 1

Mesp 2

pMesp 1 n/mn/mNP_001091431.1

Mesp Mesp2a

Mesp 1

Mesp 2

pMesp 1

n/m n/m NP_001079050.1

Mesp Mesp2b

Mesp 1

Mesp 2

pMesp 1

n/m n/m NP_001081641.1

Mesp pMeso1pMesp199 100 NP_001083813.1

Mesp pMeso2pMesp199 100 NP_001136111.1

Twist Twist1Twist1

Twist 298n/mNP_001079352.1

Twist Twist2Twist1

Twist 298n/mNP_001091211.1

Paraxis Paraxis Paraxis 62 77 NP_001087941.1

Paraxis Sclerax Sclerax80 100 NP_001092152.1

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MyoRa MyoRaMyoRa1

MyoRa 2 82 100 NP_001085957.1

Hand Hand1Hand192 100 NP_001079128.1

Hand Hand 2a Hand298 100 NP_001079108.1

Hand Hand 2b Hand298 100 NP_001107665.1

SCL Tal1Tal1n/m*56 NP_001081746.1

NSCL NSCL 1NSCL1n/m*100 NP_001081852.1

NSCL NSCL 2NSCL2 89 100 NP_001088421.1

SRC SRC 1SRC198 100 NP_001154867.1

SRC SRC 2SRC292 100 NP_001081139.1

SRC SRC 3SRC378 99 NP_001081732.1

Fig α FigαFigα 87 100 NP_001088667.1

MYC l-Myc1L-Myc199 100 NP_001081340.1

MYC l-Myc2L-Myc254 100 NP_001079460.1

MYC n-Myc1n-Myc71 99 NP_001079365.1

MYC n-Myc2n-Myc71 99 NP_001084122.1

MYC v-Myc v-Myc88 100 NP_001080349.1

Mad Mxi 1Mxi1n/m97 NP_001089170.1

Mad Mad1Mad1a n/m*71 NP_001090200.1

Mad Mad3Mad399 100 NP_001090188.1

Mad Mad4a Mad484 97 NP_001079167.1

Mad Mad4b Mad484 97 NP_001084456.1

Mnt Mnt Mnt72 99 NP_001089310.1

MAX MAX 1MAX86 100 NP_001079118.1

MAX MAX 2MAX86 100 NP_001089042.1

USF USF 1USF1 98 100 NP_001089471.1

USF USF 2USF2 99 100 NP_001088134.1

USF USF 3USF3 99 100 NP_001088700.1

MITF TFE3TFE391 88 NP_001088215.1

SREBP SREBP 2SREBP2 82 97 NP_001085554.1

Clock Clock Clock100 100 NP_001083854.1

ARNT ARNT 1ARNT1n/m*100 NP_001082130.1

ARNT ARNT 2a ARNT2 99 100 NP_001080540.1

ARNT ARNT 2b ARNT2 99 100 NP_001083622.1

Bmal Baml 1a Bmal1n/m*59 NP_001089024.1

Bmal Baml 1b Bmal1n/m*59 NP_001089031.1

AHR AHR 1AHR1 91 100 NP_001082693.1

AHR AHR 2AHR2 94 100 NP_001121349.1

Sim Sim2Sim2 82 97 NP_001079101.1

HIF Hif1α1Hif1α99 54 NP_001086426.1

HIF Hif1α2Hif1α99 54 NP_001080449.1

HIF EPAS 1a EPAS1 87 92 NP_001085564.1

HIF EPAS 1b EPAS1 87 92 NP_001085718.1

Emc Id2a Id 2 75 69 NP_001087639.1

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Emc Id2b Id 2 75 69 NP_001081902.1

Emc Id3a Id 3 96 100 NP_001079535.1

Emc Id3b Id 3 96 100 NP_001079757.1

Emc Id 4Id4 89 74 NP_001080704.1

Hey Herp 1Herp187 97 NP_001083926.1

H/E (spl) Hes 1a Hes1 62 52 NP_001081396.1

H/E (spl) Hes 1b Hes1 62 52 NP_001079386.1

H/E (spl) Hes 4a Hes4 85 98 NP_001082574.1

H/E (spl) Hes 4b Hes4 85 98 NP_001082161.1

H/E (spl) Hes 5Hes5 92 100 NP_001079464.1

H/E (spl) Esr 1a Hes5 92 100 NP_001079236.1

H/E (spl) Esr 1b Hes5 92 68 NP_001089096.1

H/E (spl) Esr 2Hes5 92 100 NP_001082163.1

H/E (spl) Esr 3Hes5 92 95 NP_001089095.1

H/E (spl) Esr6e Hes592 100 NP_001081972.1

H/E (spl) Esr 7Hes5 92 95 NP_001081974.1

H/E (spl) Esr 9a Hes5 92 100 NP_001081706.1

H/E (spl) Esr 9b Hes5 92 100 NP_001089097.1

H/E (spl) Hes 6Hes6n/m*100 NP_001116354.1

H/E (spl) Hes 7Hes7 88 91 NP_001082175.1

Coe EBF 2a EBF2n/m*84 NP_001079146.1

Coe EBF 2b EBF2n/m*84 NP_001079147.1

Coe EBF 3EBF3n/m*100 NP_001083801.1

注释：最大似然自展值指由最大似然方法 (ML)构建进化树得到的各分支上的自展值 (Bootstrap Value)；贝叶斯后验概率指根据贝叶斯推断方法(BI)构建进化树得

到的各个分支上的后验概率；问号表示不匹配； n/m标记表示某个基因不能与单一的同源基因形成独立的分支，但是可以与一群同源基因形成一个分支； n/m*

标记表示某个基因与同源基因形成独立的分支时自展值小于 50% 。

被发现 ( 表1)。本研究中，我们共发现了16个预测的

bHLH 基因，即NP_001085994.1、NP_001 088572.1、

NP_001079668 .1 、NP_00108559 6.1、NP_001091211 .1、

NP_001088421 .1 、NP_00115486 7.1、NP_001088667 .1、

NP_001089471 .1 、NP_00108813 4.1、NP_001088700 .1、

NP_001089031 .1 、NP_001085564.1、NP_001085718.1、

NP_001087639.1 和NP_001079757.1，这些基因都是通

过生物信息学推断或预测的新转录因子，为在蟾蜍中

新的人类 bHLH 蛋白的同源蛋白，其在数据库中尚未

有详细的注释。此外，本研究还验证了 3 个基因、纠

正了 2个可能被错误注释的基因，即 Paraxis

(NP_001087941.1) 、 Id3b (NP_001079757.1)、Hes5

(NP_0010794 64.1 ) 和 Mesp2a (NP_001079050.1，原名

Thylacine1) 、 Mesp2b (NP_001081641.1，原名

Thylacine2) 。本研究得到的结果可以作为基因组数据

库中注释信息的有益补充。

需要注意的是，本研究的数据可能没有获取所有

的 bHLH 基因信息，或者得到的基因中存在假基因。

因为，一方面非洲爪蟾 ( Xenopus laevis ) 的基因组测序

工作尚未完成，另一方面非洲爪蟾在进化早期经历了

“染色体多倍化” (Tetraploidization)，其基因组大致

相当西方爪蟾 (Xenopus tropicalis) 的两倍 [26] ，例如

Myf 3

、

Myf 4和Myf 6等基因就分别发现了两个拷贝。

但非洲爪蟾基因组的大部分基因都是很保守的，多倍

化的染色体对其基因功能突变的影响相对比较小 [26] 。

总之，获取的数据对研究结果没有太大的影响。

3.2. BHLH 转录因子基因本体论 (GO)富集分布

和功能注释信息分析

一般而言， DNA结合活性和蛋白质聚合活性、转录共

刘武艺非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的鉴定与初步分析 |

注释：所有的GO语句均来自国际基因本体数据库 (http://www.geneontology.org)。

Figure 2. Forty -two significant GO annotations counts plotted by frequency

图 2. 42个统计显著的GO注释(GO Aa nnotation)出现频次的柱状图统计

录共激活是 bHLH 类因子的主要功能活动。但是，除

了这些转录因子共有的功能之外， bHLH转录因子还

有其自身特殊的功能活性。为了进一步探讨爪蟾

bHLH 转录因子家族的整体功能特点，我们收集了这

98 个bHLH 因子的基因本体论(GO)的功能注释信息。

其中， 42个超几何分布统计检验显著(P< 0.05)的GO

注释语句显示在图 2中，这些GO语句表示了一些重

要的生物学过程、分子功能和信号通路 (Pathway)信

息，如转录调控活性 (GO: 0030528)、转录调控 (GO:

0045449) 、 DNA结合(GO: 0003677)、转录(GO:

0006350) 和 DNA依赖的转录调控(GO: 0006355)等出

现的频率很高，表明这些 GO注释语句是爪蟾 bHLH

基因常见的功能。

同时，爪蟾 bHLH转录因子家族的 GO注释语句

显示，除了共同拥有的功能注释信息之外，一些重要

的发育过程或生理过程，如肌肉器官发育、神经管发

育、胚胎脊索发育、血小板、照相机型眼和普通眼的

发育、核内激素受体结合 (nuclear hormone receptor

binding) 和激素受体结合、感官发育及Notch信号通路

(notch signaling pathway) 等出现的频率也较高。另外，

6 大高阶组亦具有各个组内其自身的GO富集分布特

点。图 2中显示的均为 GO 超几何分布中统计上显著

富集的功能注释 (P< 0.05， FDR < 0.05)。

3.3. 脊椎动物和无脊椎动物中 bHLH基因数目

和分布特点的比较及 Hes 基因家族的进化

为了解蟾蜍类与其他动物基因组 bHLH 转录因子

的差异，我们比较了脊椎动物和无脊椎动物基因组中

bHLH 基因数目及其分布。脊椎动物的bHLH基因数

明显地比无脊椎动物的要多 (表2)。有些基因家族，如

E12/E47 、 NeuroD、Atonal、Mesp、Twist、Paraxis 、

SCL 、SRC 、Myc、Mad、MITF、HIF、Emc、Hey和

Coe 等在脊椎动物是多基因家族，而在无脊椎动物中

刘武艺非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的鉴定与初步分析 |

Table 2. Comparing the number of bHLH transcription factors found among vertebrate and invertebrate species

表 2.脊椎动物和无脊椎动物中bHLH基因数目和分布特点之比较

Family Group Drosophila Lancelet Giant owl limpet Xenopus Laevis ChickenZebrafish Rat Mouse

ASCa A 4 3 6 2 2 2 2 2

ASCb A 0 1 1 2 2 3 3 3

MyoD A 1 4 1 7 4 4 4 4

E12/E47 A 1 1 4 2 5 5 4 4

Ngn A 1 1 3 3 2 2 3 3

NeuroD A 0 1 1 2 3 5 4 4

Atonal A 3 1 2 3 3 4 2 2

Mist A 1 1 1 nf 1 1 1 1

Beta3 A 1 1 2 nf 2 3 2 2

Oligo A 0 2 3 nf 2 4 3 3

Net A 1 1 2 nf1 1 1 1

Delilah A 1 1 0 nf 0 0 0 0

Mesp A 1 1 0 7 4 5 3 3

Twist A 1 1 2 2 4 3 2 2

Paraxis A 1 2 1 2 3 4 2 2

MyoRa A 1 4 1 1 2 2 2 2

MyoRb A 0 1 1 nf1 2 2 2

Hand A 1 1 1 3 2 1 2 2

PTFa A 1 1 1 nf1 1 1 1

PTFb A 2 3 1 nf 1 2 1 1

SCL A 1 1 5 1 2 3 3 3

NSCL A 1 1 1 2 2 1 2 2

SRC B 1 1 0 3 3 3 3 3

Fig α B 0 1 0 1 0 1 1 1

Myc B 1 1 1 5 3 6 4 4

Mad B 0 1 1 5 3 4 4 4

Mnt B 1 1 1 1 1 2 1 1

Max B 1 1 1 2 1 1 1 1

USF B 1 1 2 3 1 2 2 2

MITF B 1 1 1 1 3 5 4 4

SREBP B 1 1 1 1 2 2 2 2

AP4 B 1 1 1 nf 0 1 1 1

MLX B 1 1 7 nf 3 1 2 2

TF4 B 1 0 1 nf 1 1 1 1

Clock C 3 1 2 1 3 3 2 2

ARNT C 1 1 0 3 2 2 2 2

Bmal C 1 1 0 2 2 2 2 2

AHR C 2 1 1 2 3 4 2 2

Sim C 1 1 1 1 2 2 2 2

Trh C 1 1 0 nf 1 2 1 1

HIF C 1 1 1 4 2 6 4 4

Emc D 1 1 2 5 4 5 4 4

Hey E 1 1 1 1 2 4 4 4

H/E(spl) E 11 11 12 15 6 15 8 8

Coe F 1 1 1 3 3 5 4 4

Orphan ? 0 6 4 nf 4 2 4 4

Total 59 78 82 98 104 139 114 114

注释：

表示某基因家族在有关的研究报道中没有被发现。表中各物种 bHLH基因数据来自参考文献[11,13-18]，其中基因家族排列

的先后顺序参照了 Ledent et al. (2002)[11]。

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注释： Hes 基因家族的最大似然估计进化树序列分别来自于人、小鼠、大鼠、斑马鱼、鸡和个非洲爪蟾，斑马鱼的HEYL作为外群

(Out-group) 。图中各分支上的数字为最大似然估计所得自展值(Bootstrap values)。此进化树表明，Hes家族成员的Hes1、Hes2、Hes3、

Hes5 、 Hes6和Hes7基因均有各自的进化起源和祖先基因。

Figure 3. Phylogenetic tree of the H/E(spl) family

图 3.脊椎动物Hes基因家族的系统进化分析

刘武艺 | 非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的鉴定与初步分析

是单基因或寡基因家族。 45 个基因家族中，仅10个

家族在斑马鱼、鸡、小鼠和大鼠中是单基因的家族，

而文昌鱼 (Lancelet)和大蛤蛏 (Giant owl limpet)分别有

33 个和24 个单基因的家族。此外，Delilah家族在脊

椎动物和大蛤蛏“丢失”，却在果蝇 (Drosophila)和文

昌鱼中存在。这些现象可应用分子进化中基因的生死

(Birth-And-Death) 理论来解释 [27] 。

其中，各个物种中都显示 H/E(spl) 或 Hes基因家

族的成员比较多，这引起了我们的兴趣。在无脊椎动

物中，该家族具有 11～ 12 个成员，而在已知的脊椎

动物中有 6～15个成员(表2)。我们利用最大似然估计

的方法构建人、小鼠、大鼠、斑马鱼、鸡和西方蟾蜍

的 Hes 家族基因序列的进化树(图3)，以斑马鱼的

HEYL 作为外群 (Out-group)。结果发现，除人的Hes4

外， Hes家族成员的Hes1、Hes2、Hes3、Hes5、Hes6

和 Hes7 基因均有各自独立的进化起源和祖先基因，

这很好的验证了 Nei et al. (1997)等的基因进化的

“ Birth-And-Death ”假说 [27] 。

4. 结论

本研究从非洲爪蟾的基因组数据库搜索鉴定出

98 个 bHLH爪蟾转录因子。其中，有16个预测的转

录因子 (Hypothetical Protein)在数据库中注释信息不详

细，在本研究中被重新发现和进一步注释，另有 2个

错误命名的基因被重新注释和命名。这些未曾研究清

楚的新转录因子基因需要做进一步的分子生物学实

验以深入研究结构与功能。此外，基因本体论 (GO)的

功能注释信息分析显示了 42 个统计显著富集分布的

GO 功能注释语句，以及各个高阶大组组内特异的显

著富集分布的 GO 功能注释语句，这些注释语句均为

我们认识和了解模式生物非洲爪蟾及蛙蟾类动物

bHLH 转录因子的功能、分类和基因的调控网络等生

物医学研究提供了极其有用的信息。

5. 致谢

本文受到安徽省教育厅自然科学基金 (2006KJ

224B) 、安徽高校优秀青年教师基金(2006 jql222) 和阜

阳师院自然科学基金 (2005QL11)联合资助，作者在这

里表示感谢。

参考文献 (References)

[1] T. J. Boggon, W. S. Shan, S. Santagata, et al. Implication of

tubby proteins as transcription factors by structure-based

functional analysis. Science, 1999, 286(5447): 2119-2125.

[2] N. M. Luscombe, S. E. Austin, H. M. Berman, et al. An overview

of the structures of protein—DNA complexes. Genome Biol,

2000, 1(1): 1-37.

[3] J. L. Riechmann, J. Heard, G. Martin, et al. Arabidopsis

transcription factors: genome-wide comparative analysis among

eukaryotes. Science, 2000, 290(5499): 2105-2110.

[4] W. R. Atchley, W. M. Fitch. A natural classification of the basic

helix-loop-helix class of transcrip tion factors. Proceedings of the

National Academy of Sciences of the USA, 1997, 21(7):

5172-5176.

[5] M. E. Massari, C. Murre. Helix-loop-helix proteins: Regulators of

transcription in eucaryotic organisms. Molecular and Cellular Biology,

2000, 20(2): 429-440.

[6] V. Ledent, M. Vervoort. The basic helix-loop-helix protein

family: Comparative genomics and phylogenetic analysis. Genome

Res., 2001, 11(5): 754-770.

[7] J. D. Stevens, E. H. Roalson, and M. K. Skinner. Phylogenetic

and expression analysis of the basic helix-loop-helix transcription

factor gene family: Genomic approach to cellular differentiation.

Differentiation, 2008, 76(9): 1006-1022.

[8] L. Carretero-Paulet, A. Galstyan, I. Roig-Villanova, et al.

Genome-wide classification and evolutionary analysis of the

bHLH family of transcription factors in arabidopsis, poplar, rice,

moss, and algae. Plant Physiology, 2010, 153(3): 1398–1412.

[9] C. Murre, C. P. Mc, and D. Baltimore. A new DNA binding and

dimerizing motif in immunoglobulin enhancer binding, daughterless,

MyoD, and Myc proteins. Cell, 1989, 56(5): 777-783.

[10] W. R. Atchley, W. Terhalle, and A. Dress. Positional dependence,

cliques, and predictive motifs in the bHLH protein domain.

Journal of Molecular Evolution, 1999, 48(5): 501-516.

[11] V. Ledent, O. Paquet, and M. Vervoort. Phylogenetic analysis of

the human basic helix-loop-helix proteins. Genome Biol., 2002,

3(6): 301-3018.

[12] G. Toledo-Ortiz, E. Huq, and P. H. Quail. The Arabidopsis

basic/helix-loop-helix tr anscription factor family. Plant Cell, 2003,

15(8): 1749-1770.

[13] J. Li, Q. Liu, M. Qiu, et al. Identification and analysis of the mouse

basic/helix-loop-helix transcription factor family. Biochemical and

Bioph ysical Research Communications, 2006, 350(3): 648-656.

[14] E. Simionato, V. Ledent, G. Richards, et al. Origin and diver-

sification of the basic helix-loop-helix gene family in metazoans:

Insights from comparative genomics. BMC Evolutionary Biology,

2007, 7(1): 33.

[15] Y. Wang, K. P. Chen, Q. Yao, et al. The basic helix-loop- helix

transcription factor family in Bombyx mori. Development Genes

and E volution, 2007, 217(10): 715-723.

[16] Y.Wang, K. Chen, Q. Yao, et al. Phylogenetic analysis of

zebrafish basic helix-loop-helix transcription factors. Journal of

Molecular Evolution , 2009, 68(6): 629-640.

[17] W.Y. Liu, C. J. Zhao. Genome-wide identification and analysis

of the chicken basic helix-loop-helix factors. Comparative and

Functional Genomics, 2010: Article ID 682095.

[18] X. Zheng, Y. Wang, Q. Yao, et al. A genomewide survey on

basic helix-loop-helix transcription factors in rat and mouse.

Mamm Genome, 2009, 20(4): 236-246.

[19] U. Hellsten, R. M. Harland, M. J. Gilchrist, et al. The genome of

the Western clawed frog Xenopus tropicalis. Science, 2010,

328(5978): 633-636.

[20] J. B. Bowes, K. A. Snyder, E. Segerdell, et al. Xenbase: a

Xenopus biology and genomics resource. Nucleic Acids

Research, 2008, 36(1): D761-D767.

[21] J. D. Thompson, T. J. Gibson, F. Plewniak, et al. The ClustalX

windows interface: Flexible strategies for multiple sequence

alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids

刘武艺非洲爪蟾的碱性螺旋–环–螺旋转录因子的鉴定与初步分析 |

Research, 1997, 25(24): 4876-4882.

[22] G. Dennis Jr., B. T. Sherman, D. A. Hosack, et al. DAVID:

Database for annotation, visualization, and integrated discovery.

Genome Biol., 2003, 4(5): P3.

[23] D. W. Huang, B. T. Sherman, and R. A. Lempicki. Systematic

and integrative analysis of large gene lists using DAVID Bioinfor-

matics Resources. Nature Protocol, 2009, 4(1): 44-57.

[24] F. Ronquist, J. P. Huelsenbeck. MrBayes 3: Bayesian phylogenetic

inference under mixed models. Bioinformatics, 2003, 12: 1572-

1574.

[25] S. Guindon, O. Gascuel. A simple, fast, and accurate algorithm

to estimate large phylogenies by maximum likelihood.

Systematic Biology, 2003, 52(5): 696-704.

[26] U. Hellsten, M. K. Khokha, T. C. Grammer, et al. Accelerated gene

evolution and subfunctionalization in the pseudotetraploid frog Xenopus

laevis. BMC Biology, 2007, 5(1): 31.

[27] M. Nei, X. Gu, and T. Sitnikova. Evolution by the birth-and-death

process in multigene families of the vertebrate immune system.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA,

1997, 94(15): 7799-7806.