研究闡明驅(qū)動(dòng)CBL和CIPK基因家族互作產(chǎn)物間劑量平衡的進(jìn)化策略

重復(fù)基因可通過(guò)全基因組加倍、串聯(lián)重復(fù)、逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座等機(jī)制形成，為生物新功能和新性狀的產(chǎn)生提供了原始遺傳材料，通常被認(rèn)為是進(jìn)化的加速器。

基因組加倍或多倍化，同時(shí)復(fù)制基因組中所有的基因，是重復(fù)基因的一個(gè)重要來(lái)源。多項(xiàng)研究表明，多倍化后重復(fù)基因的保留具有偏好性，且與基因的功能密切相關(guān)。特別是一些參與編碼大分子蛋白復(fù)合物中蛋白亞基或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)類的基因多傾向于通過(guò)基因組加倍的機(jī)制產(chǎn)生重復(fù)基因，而極少通過(guò)串聯(lián)重復(fù)或轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的方式產(chǎn)生重復(fù)拷貝。前人提出了“基因平衡假說(shuō)”來(lái)解釋該偏好性保留模式，假說(shuō)指出這可能是為了維持基因間，特別是蛋白復(fù)合體各組分之間的劑量平衡以維持其功能的高效性和穩(wěn)定性，單個(gè)成分量的增加反而造成整體功能的紊亂。然而，目前在植物體系中尚未有詳盡的證據(jù)對(duì)該假說(shuō)進(jìn)行檢驗(yàn)。

中國(guó)科學(xué)院植物研究所焦遠(yuǎn)年研究團(tuán)隊(duì)選取了植物中參與植物逆境脅迫調(diào)控的兩個(gè)互作蛋白家族：CBL (Calcineurin B-Like， CBL)和CIPK (CBL-Interacting Protein Kinase)為主要研究對(duì)象，通過(guò)分析CBL和CIPK 兩個(gè)基因家族從苔蘚植物到被子植物的演化歷史，闡明CBL和CIPK基因重復(fù)的時(shí)間和機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因家族除了通過(guò)基因組加倍的方式產(chǎn)生重復(fù)拷貝外，也經(jīng)歷了由轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)事件，這與“基因平衡假說(shuō)”有所沖突。那CBL-CIPK蛋白復(fù)合體是如何維持各組成成分之間的平衡呢？進(jìn)一步在擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)，CBL和CIPK蛋白的互作在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了分化，具有一定的特異性。而造成劑量不平衡的重復(fù)基因，其表達(dá)也在時(shí)、空、量上呈現(xiàn)了特異性分化，這種表達(dá)分化和蛋白產(chǎn)物間的特異性互作可以共同維持在特定發(fā)育時(shí)期和特定組織內(nèi)互作蛋白各組成成分之間的劑量平衡。因此，該研究闡明了兩個(gè)編碼互作蛋白的基因家族應(yīng)對(duì)不對(duì)稱性拷貝數(shù)擴(kuò)增引起劑量不平衡的進(jìn)化策略，為多基因家族進(jìn)化和功能的研究提供了新見(jiàn)解。