Các yếu tố phiên mã GATA ở động vật có xương sống: sự tương tác tiến hóa, cấu trúc và chức năng

Yanyan Tang1, Yunfei Wei1, Wenwu He2, Yongbo Wang3, Jianing Zhong4, Chao Qin1
1Department of Neurology, The First Affiliated Hospital, Guangxi Medical University, Nanning, China
2Department of Cardiothoracic Surgery, Nanchong Central Hospital, The Second Clinical College of North Sichuan Medical College, Nanchong, China
3Department of Biomedical Engineering, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China
4Guilin Medical University, Guilin, China

Tóm tắt

Các yếu tố phiên mã GATA đóng vai trò bảo tồn và thiết yếu trong sự phát triển của động vật, bao gồm xác định lớp phôi, tạo huyết và tạo tim. Lịch sử tiến hóa và sự thay đổi áp lực chọn lọc sau khi phân tách của sáu thành viên trong họ GATA ở động vật có xương sống vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Gần đây, chúng tôi đã khám phá nhiều cơ sở dữ liệu để tìm các yếu tố GATA ở các loài động vật có xương sống khác nhau. Sử dụng các trình tự này, chúng tôi đã thực hiện các phân tích phân loại phân tử bằng phương pháp tối đa khả năng và Bayesian, cùng với các bài kiểm tra thống kê về hình thái cây để xác định mối quan hệ phân loại và áp lực chọn lọc giữa các protein GATA. Một trăm bảy mươi một trình tự cDNA hoàn chỉnh từ 24 loài động vật có xương sống đã được trích xuất từ nhiều cơ sở dữ liệu. Thông qua các phân tích phân loại, chúng tôi đã điều tra nguồn gốc, bảo tồn và sự tiến hóa của các yếu tố GATA. Sáu gen GATA ở động vật có xương sống có thể được hình thành thông qua việc sao chép gen. Các chuyển tiếp tiến hóa được suy diễn phân tách các thành viên thuộc các cụm gen khác nhau tương quan với sự thay đổi trong các tính chất chức năng. Phân tích chọn lọc và phân tích cấu trúc protein đã được kết hợp để giải thích chọn lọc theo kiểu Darwin trong các trình tự GATA và những thay đổi này mang lại ý nghĩa sinh học khả dĩ. 26 vị trí chọn lọc dương đã được phát hiện trong quá trình này. Nghiên cứu này tiết lộ lịch sử tiến hóa của các gen GATA trong họ động vật có xương sống và các vị trí được chọn lọc dương có thể liên quan đến các tính chất chức năng đặc biệt của các paralog. Nó cung cấp một góc nhìn mới để hiểu nguồn gốc và tiến hóa cũng như chức năng sinh học của các yếu tố GATA, điều này sẽ giúp khám phá vai trò sinh học, sự tiến hóa và mối quan hệ của chúng với các bệnh liên quan; ngoài ra, các họ phức tạp nhiều miền khác và cũng như các họ siêu họ lớn hơn có thể được nghiên cứu theo cách tương tự.

Từ khóa

#GATA; động vật có xương sống; gene; các yếu tố phiên mã; sự tiến hóa; protein; chọn lọc dương

Tài liệu tham khảo

Anisimova M, Bielawski JP, Yang Z (2001) Accuracy and power of the likelihood ratio test in detecting adaptive molecular evolution. Mol Biol Evol 18(8):1585–1592

Bairoch A, Bucher P, Hofmann K (1997) The PROSITE database, its status in 1997. Nucleic Acids Res 25(1):217–221

Bielawski JP, Yang Z (2003) Maximum likelihood methods for detecting adaptive evolution after gene duplication. J Struct Funct Genomics 3(1–4):201–212

Bradbury AF, Smyth DG (1987) Biosynthesis of the C-terminal amide in peptide hormones. Biosci Rep 7(12):907–916

Cheema J, Dicks J (2009) Computational approaches and software tools for genetic linkage map estimation in plants. Brief Bioinform 10(6):595–608. doi:10.1093/bib/bbp045

Crossley M, Orkin SH (1994) Phosphorylation of the erythroid transcription factor GATA-1. J Biol Chem 269(24):16589–16596

de Jonge HR, Hogema B, Tilly BC (2000) Protein N-myristoylation: critical role in apoptosis and salt tolerance. Sci STKE Signal Transduct Knowl Environ (63):pe1. doi:10.1126/stke.2000.63.pe1

Edgar RC (2004) MUSCLE: a multiple sequence alignment method with reduced time and space complexity. BMC Bioinform 5:113. doi:10.1186/1471-2105-5-113

Gao X, Sedgwick T, Shi YB, Evans T (1998) Distinct functions are implicated for the GATA-4, -5, and -6 transcription factors in the regulation of intestine epithelial cell differentiation. Mol Cell Biol 18(5):2901–2911

Ge Y, Dombkowski AA, LaFiura KM, Tatman D, Yedidi RS, Stout ML, Buck SA, Massey G, Becton DL, Weinstein HJ, Ravindranath Y, Matherly LH, Taub JW (2006) Differential gene expression, GATA1 target genes, and the chemotherapy sensitivity of Down syndrome megakaryocytic leukemia. Blood 107(4):1570–1581. doi:10.1182/blood-2005-06-2219

Geahlen RL, Carmichael DF, Hashimoto E, Krebs EG (1982) Phosphorylation of cAMP-dependent protein kinase subunits. Adv Enzyme Regul 20:195–209

George KM, Leonard MW, Roth ME, Lieuw KH, Kioussis D, Grosveld F, Engel JD (1994) Embryonic expression and cloning of the murine GATA-3 gene. Development (Cambridge, England) 120(9):2673–2686

Gillis WQ, Bowerman BA, Schneider SQ (2008) The evolution of protostome GATA factors: molecular phylogenetics, synteny, and intron/exon structure reveal orthologous relationships. BMC Evol Biol 8:112. doi:10.1186/1471-2148-8-112

Gillis WQ, St John J, Bowerman B, Schneider SQ (2009) Whole genome duplications and expansion of the vertebrate GATA transcription factor gene family. BMC Evol Biol 9:207. doi:10.1186/1471-2148-9-207

Glass DB, el-Maghrabi MR, Pilkis SJ (1986) Synthetic peptides corresponding to the site phosphorylated in 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase as substrates of cyclic nucleotide-dependent protein kinases. J Biol Chem 261(6):2987–2993

Guindon S, Gascuel O (2003) A simple, fast, and accurate algorithm to estimate large phylogenies by maximum likelihood. Syst Biol 52(5):696–704

Guo M, Akiyama Y, House MG, Hooker CM, Heath E, Gabrielson E, Yang SC, Han Y, Baylin SB, Herman JG (2004) Hypermethylation of the GATA genes in lung cancer. Clin Cancer Res 10(23):7917–7924

Haveri H, Westerholm-Ormio M, Lindfors K, Maki M, Savilahti E, Andersson LC, Heikinheimo M (2008) Transcription factors GATA-4 and GATA-6 in normal and neoplastic human gastrointestinal mucosa. BMC Gastroenterol 8:9. doi:10.1186/1471-230x-8-9

He C, Cheng H, Zhou R (2007) GATA family of transcription factors of vertebrates: phylogenetics and chromosomal synteny. J Biosci 32(7):1273–1280

Hellebrekers DM, Lentjes MH, van den Bosch SM, Melotte V, Wouters KA, Daenen KL, Smits KM, Akiyama Y, Yuasa Y, Sanduleanu S (2009) GATA4 and GATA5 are potential tumor suppressors and biomarkers in colorectal cancer. Clin Cancer Res 15(12):3990–3997

Huelsenbeck JP (1995) The robustness of two phylogenetic methods: four-taxon simulations reveal a slight superiority of maximum likelihood over neighbor joining. Mol Biol Evol 12(5):843–849

Kaneko H, Kobayashi E, Yamamoto M, Shimizu R (2012) N- and C-terminal transactivation domains of GATA1 protein coordinate hematopoietic program. J Biol Chem 287(25):21439–21449. doi:10.1074/jbc.M112.370437

Kreil G (1984) Occurrence, detection, and biosynthesis of carboxy-terminal amides. Methods Enzymol 106:218–223

Kumar S, Tamura K, Nei M (2004) MEGA3: integrated software for Molecular Evolutionary Genetics Analysis and sequence alignment. Brief Bioinform 5(2):150–163

Lillevali K, Matilainen T, Karis A, Salminen M (2004) Partially overlapping expression of Gata2 and Gata3 during inner ear development. Dev Dyn Off Publ Am Assoc Anat 231(4):775–781. doi:10.1002/dvdy.20185

Lowry JA, Atchley WR (2000) Molecular evolution of the GATA family of transcription factors: conservation within the DNA-binding domain. J Mol Evol 50(2):103–115

Mackay JP, Kowalski K, Fox AH, Czolij R, King GF, Crossley M (1998) Involvement of the N-finger in the self-association of GATA-1. J Biol Chem 273(46):30560–30567

Molkentin JD (2000) The zinc finger-containing transcription factors GATA-4, -5, and -6. Ubiquitously expressed regulators of tissue-specific gene expression. J Biol Chem 275(50):38949–38952. doi:10.1074/jbc.R000029200

Möller S, Croning MD, Apweiler R (2001) Evaluation of methods for the prediction of membrane spanning regions. Bioinformatics 17(7):646–653

Morgan CC, Shakya K, Webb A, Walsh TA, Lynch M, Loscher CE, Ruskin HJ, O’Connell MJ (2012) Colon cancer associated genes exhibit signatures of positive selection at functionally significant positions. BMC Evol Biol 12:114. doi:10.1186/1471-2148-12-114

Muntean AG, Crispino JD (2005) Differential requirements for the activation domain and FOG-interaction surface of GATA-1 in megakaryocyte gene expression and development. Blood 106(4):1223–1231. doi:10.1182/blood-2005-02-0551

Nardelli J, Thiesson D, Fujiwara Y, Tsai FY, Orkin SH (1999) Expression and genetic interaction of transcription factors GATA-2 and GATA-3 during development of the mouse central nervous system. Dev Biol 210(2):305–321. doi:10.1006/dbio.1999.9278

Orkin SH (2000) Diversification of haematopoietic stem cells to specific lineages. Nat Rev Genet 1(1):57–64. doi:10.1038/35049577

Posada D (2003) Using MODELTEST and PAUP* to select a model of nucleotide substitution. Curr Protoc Bioinformatics Chapter 6, Unit 6 5. doi:10.1002/0471250953.bi0605s00

Posada D, Crandall KA (1998) MODELTEST: testing the model of DNA substitution. Bioinformatics 14(9):817–818

Racke FK, Wang D, Zaidi Z, Kelley J, Visvader J, Soh JW, Goldfarb AN (2001) A potential role for protein kinase C-epsilon in regulating megakaryocytic lineage commitment. J Biol Chem 276(1):522–528. doi:10.1074/jbc.M005236200

Reyes JC, Muro-Pastor MI, Florencio FJ (2004) The GATA family of transcription factors in Arabidopsis and rice. Plant Physiol 134(4):1718–1732. doi:10.1104/pp.103.037788

Rost B, Yachdav G, Liu J (2004) The PredictProtein server. Nucleic Acids Res 32 (Web Server issue):W321–W326. doi:10.1093/nar/gkh377

Roy A, Kucukural A, Zhang Y (2010) I-TASSER: a unified platform for automated protein structure and function prediction. Nat Protoc 5(4):725–738

Saitou N, Nei M (1987) The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol Biol Evol 4(4):406–425

Sessa WC, Barber CM, Lynch KR (1993) Mutation of N-myristoylation site converts endothelial cell nitric oxide synthase from a membrane to a cytosolic protein. Circ Res 72(4):921–924

Suyama M, Torrents D, Bork P (2006) PAL2NAL: robust conversion of protein sequence alignments into the corresponding codon alignments. Nucleic Acids Res 34 (Web Server issue):W609–W612. doi:10.1093/nar/gkl315

Toki T, Kanezaki R, Kobayashi E, Kaneko H, Suzuki M, Wang R, Terui K, Kanegane H, Maeda M, Endo M, Mizuochi T, Adachi S, Hayashi Y, Yamamoto M, Shimizu R, Ito E (2013) Naturally occurring oncogenic GATA1 mutants with internal deletions in transient abnormal myelopoiesis in Down syndrome. Blood 121(16):3181–3184. doi:10.1182/blood-2012-01-405746

Usary J, Llaca V, Karaca G, Presswala S, Karaca M, He X, Langerød A, Kåresen R, Oh DS, Dressler LG (2004) Mutation of GATA3 in human breast tumors. Oncogene 23(46):7669–7678

Viger RS, Guittot SM, Anttonen M, Wilson DB, Heikinheimo M (2008) Role of the GATA family of transcription factors in endocrine development, function, and disease. Mol Endocrinol (Baltimore, Md) 22(4):781–798. doi:10.1210/me.2007-0513

Weiss MJ, Orkin SH (1995) GATA transcription factors: key regulators of hematopoiesis. Exp Hematol 23(2):99–107

Whelan S, Goldman N (1999) Distributions of statistics used for the comparison of models of sequence evolution in phylogenetics. Mol Biol Evol 16(9):1292

Wong WS, Yang Z, Goldman N, Nielsen R (2004) Accuracy and power of statistical methods for detecting adaptive evolution in protein coding sequences and for identifying positively selected sites. Genetics 168(2):1041–1051. doi:10.1534/genetics.104.031153

Yang Z (1998) Likelihood ratio tests for detecting positive selection and application to primate lysozyme evolution. Mol Biol Evol 15(5):568–573

Yang Z (2006) Computational molecular evolution, vol 284. Oxford University Press, Oxford

Yang Z (2007) PAML 4: phylogenetic analysis by maximum likelihood. Mol Biol Evol 24(8):1586–1591. doi:10.1093/molbev/msm088

Yang Z, Wong WS, Nielsen R (2005) Bayes empirical Bayes inference of amino acid sites under positive selection. Mol Biol Evol 22(4):1107–1118

Zhang Y (2008) I-TASSER server for protein 3D structure prediction. BMC Bioinform 9(1):40

Zhang J, Nielsen R, Yang Z (2005) Evaluation of an improved branch-site likelihood method for detecting positive selection at the molecular level. Mol Biol Evol 22(12):2472–2479. doi:10.1093/molbev/msi237

Zheng R, Blobel GA (2010) GATA transcription factors and cancer. Genes Cancer 1(12):1178–1188. doi:10.1177/1947601911404223