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CFEM结构域是具有特定结构并执行特定功能的蛋白质结构元件。该结构域广泛存在于真菌中,少数存在于植物中,但在细菌和动物中,至今都没有发现它们的存在。虽然越来越多的功能证据表明,CFEM结构域的存在对于真菌的结构和功能,尤其是对致病菌的致病性,有极为重要的作用,但是该结构域在真菌中的存在范围、分布规律、进化类型、形成机制以及功能分化等问题缺乏系统的研究。
本论文以目前已测序完成的部分细菌(10个基因组)、真菌(100个基因组)、植物(10个基因组)以及动物(15个基因组)为研究对象,利用生物信息学和进化生物学的手段进行了系统分析,并且通过实验方法,对部分分析结果进行了验证。
论文的研究结果和结论如下:
1.CFEM结构域只存在于真菌中。我们通过对细菌、真菌、植物和动物的基因组进行PSI-BLAST搜索和序列比对,发现在细菌、动物的基因组中不含有该结构域。此外,通过植物组培实验,证实以前研究中发现的玉米、高粱的CFEM结构域的EST序列是来自于这些物种的内生真菌,并非这些植物自身的CFEM结构域。
2.CFEM结构域可能最早起源于子囊菌门和担子菌门的最近共同祖先。通过对已测序完成的100个不同种真菌的基因组进行多次本地比对和在线比对之后,共找出359个CFEM结构域。通过将这些结构域标记到真菌物种树上和构建CFEM结构域的系统发育关系树,我们发现该结构域在子囊菌门和担子菌门中首次出现,而在接合菌门、壶菌门以及微孢子虫中并未发现该结构域的存在。
3.CFEM结构域的序列长度在进化上是保守的,但其数目在不同真菌中差异显著,可能与真菌复杂结构本身以及所处的环境条件的差异有重要关系。通过分析发现,CFEM结构域的序列长度在不同真菌中相对较为保守,一般由大约64个氨基酸组成。但是,CFEM结构域的数目随物种的不同而发生相应的变化。一般而言,越高等的多细胞真菌,具有更多的CFEM结构域。另外,有致病性的真菌含有的该结构域的数目也比非致病性的真菌普遍要多一倍。
4.CFEM结构域的形成方式主要有两种:一是结构域本身的自我复制;二是随着所在基因的复制而复制。另外,我们也发现了CFEM结构域可能潜在的形成机制,如基因转换(gene conversion);结构域滑移(domain shuffling)等。
5.含有CFEM结构域的基因,在进化早期的初始功能可能是构成细胞壁的组成结构之一,而在后期的进化过程中,发生了功能的演变,如构成抗原的成分等。
综上所述,通过对CFEM结构域的进化分析,提示着真菌特有的CFEM结构域在子囊菌门和担子菌门的最近共同祖先出现后,随着所处环境的改变而不断演化,其功能也发生了相应的改变,为后续研究该结构域的功能奠定了理论基础。
本论文的创新性主要体现在以下几个方面:
1.证实了CFEM结构域在真菌中是特有的;
2.首次推断出CFEM结构域在真菌中的最早起源的节点;
3.提出了造成CFEM结构域数目差异的几个可能因素以及形成机制。