研究报告

Research Report

金鱼 ABC转运蛋白基因家族成员鉴定及分析

刘含梅 崔文耀 宋诗颖 李伟明 任建峰 *

上海海洋大学,科技部海洋生物科学国际联合研究中心,水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室,水产科学国家级实验教学示范中心,上海, 201306*通信作者, jfren@shou.edu.cn

摘 要 腺苷三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporter, ABC transporter)基因家族在原核生物

和真核生物中广泛存在，该家族蛋白能够利用 ATP裂解产生的能量将多种底物转运到膜上，参与多种生物

过程，如营养摄入、细胞解毒、脂质稳态、信号转导、病毒防御以及抗原呈递等。目前，鱼类中，只在斑马鱼、斑

点叉尾鮰和鲤鱼等少数鱼类中对该基因家族进行了系统的研究，关于金鱼 ABC转运蛋白基因家族的详细

分析，未见报道。本研究中，我们利用三代结合二代测序技术构建的金鱼转录组参考基因集数据，鉴定出 55个ABC转运蛋白基因，通过系统进化分析将它们分为 8个亚家族(A~H)。即金鱼 ABC转运蛋白基因是由 10个ABCA、14个 ABCB、13 个 ABCC、5 个 ABCD、1 个 ABCE、4 个 ABCF、7 个 ABCG和 1 个 ABCH 组成。同

时，我们将金鱼与斑马鱼、斑点叉尾鮰和鲤鱼等物种 ABC转运蛋白基因家族成员的数目进行比较分析，推

测硬骨鱼类特异的第 3 次全基因复制(3R-WGD)和谱系特异的第 4 次全基因组复制(4R-WGD)对金鱼该基

因家族成员数目的影响。本研究结果为金鱼 ABC转运蛋白基因功能的研究提供了理论依据。

关键词 金鱼, ABC转运蛋白,基因鉴定,序列分析,进化

Identification and Analysis of ABC Transporter Gene Family in Goldfish(Carassius auratus auratus)Liu Hanmei Cui Wenyao Song Shiying Li Weiming Ren Jianfeng *

National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education, Key Laboratory of Exploration and Utilization of Aquatic Genetic Resources, Ministry of Education, International Research Center for Marine Biosciences, Ministry of Science and Technology, Shanghai Ocean University,Shanghai, 201306* Corresponding author, jfren@shou.edu.cnDOI: 10.13417/j.gab.039.000001

Abstract The ATP-binding cassette (ABC) transporter gene family is considered to be one of the largest genefamilies in various forms of prokaryotes and eukaryotes, and they are able to transport various substrates to themembrane using the energy generated by ATP cleavage. Members of this family participate in a variety ofbiological processes such as nutrition uptake, cell detoxification, lipid homeostasis, signal transduction, viraldefense, antigen presentation and so on. At present, systematical studies on this gene family have been carried outonly in a few fish species, such as zebrafish (Danio rerio), catfish (Ietalurus punetaus) and common carp (Cyprinuscarpio). A detailed analysis of the ABC transporter gene family in goldfish (Carassius auratus auratus) has notbeen investigated. In this study, with the goldfish transcriptome reference dataset generated by the sequencingtechnology of the third generation combined with the second generation, we identified 55 ABC transporter genesand divided them into 8 different subfamilies (A~H) according to the result from phylogenetic analysis. The ABC

基金项目：本研究由上海市科委国际科技合作项目(15410723300)和上海海洋大学优秀本科生项目(A1-2041-18-0000)共同资助

引用格式：Liu H.M., Cui W.Y., Song S.Y., Li W.M., and Ren J.F., 2020, FIdentification and analysis of ABC transporter gene family ingoldfish (Carassius auratus auratus), Jiyinzuxue Yu Yingyong Shengwuxue (Genomics and Applied Biology), 39(1): 1-10 (刘含梅,崔文

耀,宋诗颖,李伟明,任建峰, 2020,金鱼ABC转运蛋白基因家族成员鉴定及分析,基因组学与应用生物学, 39(1): 1-10)

基因组学与应用生物学，2020年，第 39卷，第 1期，第 1-10页

基因组学与应用生物学

腺苷三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-bindingcassettetransporter, ABC transporter)是一类重要的转运各种底

物的膜整合蛋白。20世纪 70年代，ABC转运蛋白首

次在细菌中发现，被描述为底物结合蛋白依赖性转

运系统；1986年，人们认识到 ATP结合盒转运蛋白具

有共同的进化起源，属于同一家族，具有保守的功能

结构域和多样化的生物学功能(Theodoulou and Kerr,2015)。1990 年，ABC 转运蛋白的术语开始被使用

(Hyde et al., 1990)。ABC转运蛋白具有多种功能。其中大多数 ABC

转运蛋白是初级主动运输转运体，它在原核及真核生

物中都广泛分布，是自然界各类原核生物和真核生物

中最大家族之一(Higgins, 1992; Schmitt and Tampeet,2002; Aryal et al., 2016)。它参与整个细胞内的各种内

源性或外源性物质的主动转运过程，利用 ATP水解

产生的能量将底物进行逆浓度梯度跨膜运输(Hig-gins, 1992)。大多数ABC蛋白起主要活性转运蛋白的

作用，需要 ATP 的结合和水解以将许多底物(例如:简单离子,氨基酸,脂质,糖,肽和药物)从细胞质运输

到细胞内或细胞外区域(Liu et al., 2013; Dermauwand Leeuwen, 2014)。它们还参与许多其它重要的生

理过程，如营养摄入、细胞解毒、脂质稳态、信号转

导、病毒防御以及抗原呈递等(Wilkens, 2015)。此外，

ABC转运蛋白基因与人类多种疾病相关，如：ABCA1突变导致高密度脂蛋白缺乏症(Tangier Disease) (Bo-dzioch et al., 1999; Rust et al., 1999)，ABCB1、ABCC1和 ABCG2 等蛋白与多种癌症耐药性的关系(Robeyet al., 2018)。

典型的 ABC 转运蛋白核心结构通常由 4 个结

构域组成，包括 2 个结合、水解 ATP 的胞质核苷酸

结合结构域(nucleotide binding domain, NBD)和 2 个

完整的跨膜结构域 (transmembrane domain, TMD)(Beek et al., 2014)。其中 NBD 结构域相对保守，由

Walker A 基序、Walker B 基序、Walker C 基序、

Q-loop、H-loop 和 ABC-signature 等组成，它们能够

结合 ATP并将其水解为主动运输的能量(刘艳青和

transporter gene family in the goldfish are comprised of 10 ABCA genes, 14 ABCB genes, 13 ABCC genes, fiveABCD genes, one ABCE gene, four ABCF genes, seven ABCG genes, and one ABCH gene. In addition, we alsocompared the ABC gene family members of goldfish with those of zebrafish, catfish and common carp; thenumber of ABC gene family in goldfish was affected by the teleost-specific third-round whole genome duplication(3R-WGD) and lineage-specific fourth-round whole genome duplication (4R-WGD). These results will provideessential genomic resources for functional studies of goldfish ABC transporter proteins in future.Keywords Goldfish, ABC transporter, Gene identification, Sequence analysis, Evolution

赵永芳, 2017)。相反，TMD的结构及序列却因其转运

底物的不同而具有多样性，TMD由 5~6 个跨膜螺旋

构成，它们决定了底物的特异性。NBD和 TMD存在

不同的组合方式，ABC 转运蛋白可以由 2 个 NBD和 2 个 TMD 组成，称为全转运蛋白(full transporter,FT)；也可以由 1 个 NBD和 1 个 TMD 组成，称为半

转运蛋白(half transporter, HT)，半转运蛋白类型的

ABC转运蛋白要生成功能性蛋白，需要先形成同源

或异源二聚体，才能形成有功能的 ABC 转运蛋白

(Higgins and Linton, 2004; Linton and Higgins, 2007;Rees et al., 2009; Sturm et al., 2009; George and Jones,2012; Cole, 2014;康新乐, 2016)；而有些 ABC转运蛋

白(E 和 F 亚家族)只有 NBD 或 TMD 结构域，它们

不具备转运功能，主要涉及核糖体的生物合成和翻

译调控(Paytubi et al., 2009; Pisarev et al., 2010; Barth-elme et al., 2011)。

根据 NBD 之间序列相似性，ABC 转运蛋白家

族被分成 8个亚家族，以字母 A~H命名，即 ABCA~ABCH。A~G 的 7 个亚家族也有别名，为 ABC1、MDR/TAP、CFTR/MRP、ALD、OABP、GCN20和 White。H亚家族与 G 亚家族的亲缘关系最近，H 亚家族最

先在果蝇(Drosophila melanogaster)中被鉴定出来，后

来在其它节肢动物(Dean et al., 2001; Annilo et al.,2006; Dermauw and Leeuwen, 2014)和斑马鱼(Daniorerio)中被发现，但在植物、蠕虫、酵母和哺乳动物基

因组中未发现(Dean and Annilo, 2005; Popovic et al.,2010; Guo et al., 2015)。

目前，脊椎动物中，只在人、小鼠、鱼类(斑马鱼,斑点叉尾鮰, 海水青鳉和鲤鱼)和七鳃鳗等少数物种

中进行了 ABC转运蛋白基因家族的系统研究(Deanet al., 2001; Dean and Annilo, 2005; Liu et al., 2013;Jeong et al., 2015; Ren et al., 2015; Liu et al., 2016)，金鱼(Carassius auratus auratus)中该基因家族成员的详

细分析，未见报道。金鱼是鲫鱼的一个变种，分类学

属于鲤科，鲤亚科，鲫属，鲫种(C. auratus)，染色体数

为 2n=100。金鱼是一种深受人们喜爱的传统观赏鱼，

2

金鱼 ABC转运蛋白基因家族成员鉴定及分析

在中国观赏鱼养殖中占有非常大的比重，有着非常悠

久的养殖历史。据史料记载早在晋朝时就有金鱼的养

殖，至今已有 1 000多年历史(潘吉星, 2008)。长期以

来，在以观赏为目的的人工选育下，金鱼的品种层出

不穷(Wang et al., 2013)。本研究利用三代结合二代测序技术构建的金鱼

转录组参考基因集数据，鉴定和分析了金鱼 ABC转

运蛋白基因家族成员的数目、亚家族的分类及特征；

并比较分析了 5 类脊椎动物代表物种的 ABC 转运

蛋白基因家族成员数目；构建了金鱼 ABC转运蛋白

系统进化树，探讨了 ABC转运蛋白基因家族成员间

的进化关系。该研究结果为金鱼 ABC转运蛋白基因

功能的研究提供了基础资料。

1结果与分析

1.1 金鱼 ABC转运蛋白基因家族成员的鉴定及特征

描述

利用鲤鱼和斑马鱼 ABC 转运蛋白基因家族成

员蛋白序列作为查询序列，通过本地 BLAST比对程

序搜索，从金鱼转录组基因集中共鉴定出 55个 ABC转运蛋白基因，分为 8 个亚家族，包括 10个 ABCA、14 个 ABCB、13 个 ABCC、5 个 ABCD、1 个 ABCE、4个 ABCF、7个 ABCG和 1个 ABCH (表 1)。

ABCA亚家族共鉴定出 10个成员，包括 ABCA-1a、ABCA1b、ABCA1c、ABCA1-like、ABCA2-3、AB-CA4a、ABCA4b、ABCA5和 ABCA12。ABCA亚家族

蛋白，全部为全转运蛋白，包含 2 个 NBD 和 2 个

TMD结构域。在鉴定的 10个成员中，只有 3个成员

(ABCA1b,ABCA4b和ABCA5)编码完整的蛋白。尽管

其它 7个成员编码不完整的蛋白序列，但是其中 4个成员(ABCA1a, ABCA1c, ABCA2 和 ABCA12)的蛋

白序列包含了完整的 4 个蛋白结构域，即 (TMD-NBD) 2结构域(表 1)。

ABCB亚家族中共鉴定出 14个成员，包括 ABC-B2、ABCB3a、ABCB3b、ABCB3c、ABCB4-5、ABCB6a、6b、ABCB7-10、ABCB11a 和 ABCB11b。鉴定出的

ABCB亚家族成员都为全长序列，编码完整的蛋白

序列。ABCB亚家族包括全转运蛋白和半转运蛋白。

4个成员(ABCB4, ABCB5, ABCB11a和 ABCB11b)为全转运蛋白，其余 10个蛋白都为半转运蛋白。

ABCC亚家族中共鉴定出 13个成员，包括ABC-C1-4、ABCC5a、ABCC5b、ABCC7、ABCC8a、ABCC8b、ABCC9-10 和 ABCC12-13，ABCC 亚家族转运蛋白

都是全转运蛋白。在鉴定的 13个成员中，只有 2个成

员(ABCC8b 和 ABCC9)为部分序列，其中 ABCC8b为参考序列长度的 41.7%，包含 1 个 TMD-NBD结

构域；ABCC9为参考序列长度的 80.4%，蛋白序列包

含了完整的 4 个结构域，即(TMD-NBD) 2 结构域。

ABCC13全长蛋白只包含 2个 TMD结构域，未预测

出 NBD结构域。

ABCD 亚家族所有成员都是位于过氧化物酶

体中的半转运蛋白，包含一个 TMD 和一个 NBD结构域(Vasiliou et al., 2008)。在金鱼转录组中鉴定

出 5 个 ABCD 亚家族成员，即为 ABCD1、ABCD2、ABCD3a、ABCD3b 和 ABCD4，这些成员都编码完

整的蛋白序列。

ABCE 和 ABCF 亚家族蛋白都包含 2 个 NBD结构域，不含 TMD结构域，不发挥转运蛋白的功能，

而是参与核糖体生物合成和翻译调控(Paytubi et al.,2009; Pisarev et al., 2010; Barthelme et al., 2011)。在金

鱼转录组中鉴定出 ABCE 的 1 个成员 ABCE1，AB-CF亚家族的 4个成员，即为 ABCF1、ABCF2a、ABC-F2b和 ABCF3，这些成员都编码完整的蛋白序列。

ABCG和ABCH蛋白都是半转运蛋白，但与其它

ABC转运蛋白不同，它们都具有反向结构域，即在

N- 端具有NBD结构域，而在 C- 端具有 TMD (表 1)。我们在金鱼的转录组中鉴定出 7个 ABCG亚家族成

员和 1 个 ABCH亚家族成员，即 ABCG1、ABCG2a、ABCG2b、ABCG2c、ABCG4a、ABCG5 和 ABCG8，以及 ABCH1。这些成员都编码完整的蛋白序列。

1.2 不同物种间 ABC转运蛋白基因家族成员的比较

研究

本研究选取了 5 大类脊椎动物，包括哺乳类中

的人类(Homo sapiens)和小鼠(Mus musculus)，鸟类中

的鸡(Gallus gallus)，爬行类中的绿蜥蜴(Anolis caroli-nensis)，两栖类的非洲爪蟾(Xenopus tropicalis)和鱼

类中的罗非鱼(Oreochromis niloticus)、斑点叉尾鮰

(Ietalurus punetaus)、斑马鱼、鲤鱼(Cyprinus carpio)和金鱼，对不同物种间 ABC转运蛋白基因家族成员数

目的变化进行了比较。

相对于其它脊椎动物，5种硬骨鱼类中，13 个基

因(ABCA1, ABCA4, ABCB3, ABCB6, ABCB11, AB-CC5, ABCC6, ABCC8, ABCD3, ABCE1, ABCF2, AB-CG2 和 ABCG4)在 2 种及 2 种以上硬骨鱼类中都有

2 个拷贝，甚至个别基因(ABCA1, ABCB3, ABCC6,ABCD3 和 ABCG2)为 3~5 个拷贝，而在其它脊椎动

3

基因组学与应用生物学

表 1金鱼 55个 ABC转运蛋白基因信息

Table 1 Information of 55 ABC transporter genes identified in goldfish

基因名称

Gene nameABCA1aABCA1-likeABCA1bABCA1cABCA2ABCA3ABCA4aABCA4bABCA5ABCA12ABCB2ABCB3aABCB3bABCB3cABCB4ABCB5ABCB6aABCB6bABCB7ABCB8ABCB9ABCB10ABCB11aABCB11bABCC1ABCC2ABCC3ABCC4ABCC5aABCC5bABCC7ABCC8aABCC8bABCC9ABCC10ABCC12ABCC13ABCD1ABCD2ABCD3aABCD3bABCD4ABCE1ABCF1ABCF2a

GenBank登陆号

GenBank acc. No.MH420531MH420532MH420533MH420534MH420535MH420536MH420537MH420538MH420539MH420540MH420541MH420542MH420543MH420544MH420545MH420546MH420547MH420548MH420549MH420550MH420551MH420552MH420553MH420554MH420555MH420556MH420557MH420558MH420559MH420560MH420561MH420562MH420563MH420564MH420565MH420566MH420567MH420568MH420569MH420570MH420571MH420572MH420573MH420574MH420575

转录本长度(bp)mRNA length (bp)5 2474 4998 2215 9734 7484 6224 3627 3516 4966 7822 9003 7142 7312 9174 6694 8233 4403 5243 1122 6313 0584 4944 6224 3646 0935 0625 0845 3145 5045 3275 2524 7182 1055 1254 8764 6154 0575 3473 7512 8362 5123 0142 9423 3722 436

蛋白长度(aa)Protein length (aa)1 6931 3332 2801 649913

1 2321 2612 3281 6732 022730730727727

1 2731 340851649745708792715

1 3291 3311 5261 5661 5351 3291 4261 3931 4851 446664

1 2631 5511 3631 000775744657657605599873613

蛋白编码区 a

CDS status a

PPCPPPPCCPCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCPPCCCCCCCCCCC

结构域

Domain structure(TMD-NBD) 2TMD-NBD-TMD(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2TMD-NBDTMD-NBD(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2TMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBD(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2TMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBD(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2TMD-NBD(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2(TMD-NBD) 2TMD-TMDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDTMD-NBDNBD-NBDNBD-NBDNBD-NBD

参考 b (aa)Reference b (aa)2 2682 3912 2822 3202 5031 7032 3052 3271 6735 913731725725728

1 2751 338851648743714789710

1 3201 3481 5181 5671 5391 3271 4261 3931 4851 5941 5931 5701 5481 3681 020766744656659604599877613

4

物中，这些基因一般只有 1 个拷贝(表 2)。在 5 种硬

骨鱼类中都未发现 ABCA6、A8~A10、A13~A17、C11和 G3；其中，ABCA6 只在人和小鼠中存在，AB-CA8~10从非洲爪蟾开始出现，ABCA13从鸡开始出

现，ABCA14~17 和 ABCG3 只在小鼠中存在，而

ABCC11 只在人中存在。这些基因在不同脊椎动物

中的变化，是由于基因在四足动物祖先中通过基因

复制产生后，并在不同物种中发生基因丢失造成的

(Dean and Annilo, 2005; Annilo et al., 2006)。与鲤鱼相比，有 12个多拷贝基因(ABCA5, ABC-

B5, ABCC2, ABCC4, ABCC6, ABCC9, ABCD3, ABCD4,ABCE1, ABCG2, ABCG4 和 ABCG8)，只有 1 个拷贝

或所有拷贝在金鱼转录组数据中都未鉴定出(表 2)。金鱼中，6 个单拷贝基因 (ABCB2, ABCB7, ABCB8,ABCB10, ABCC3 和 ABCH1)和 2 个多拷贝基因(AB-CB3 和 ABCB6)在鲤鱼分析中未鉴定出(表 2)。鲤鱼

基因组中共鉴定出 61 个 ABC 转运蛋白家族成员

(Liu et al., 2016)，金鱼转录组数据中共鉴定出 55个成员(表 2)。

1.3金鱼 ABC转运蛋白基因家族进化分析

系统进化树聚类显示，金鱼 ABC转运蛋白基因

各亚家族多个成员很好地聚为一支，明显地聚为 6支，

而 ABCE 和 ABCH亚家族只有 1个成员，它们分别

与 ABCA和 ABCG亚家族聚在一起(图 1)。ABCA 亚家族中的 10 个成员在系统进化树中

聚为一支(图 1)，其中 ABCA1 的 3 个拷贝(ABCA1a,ABCA1b 和 ABCA1c)聚在一起；而 ABCA1-like 与

ABCA2聚在一起，但是支持率非常低；ABCA4的 2个

拷贝(ABCA4a 和 ABCA4b)先聚在一起，然后再与

ABCA1聚在一起。ABCA1和 A4的多个拷贝，可能

来源于硬骨鱼类特异性的基因组复制，因为它们在

金鱼 ABC转运蛋白基因家族成员鉴定及分析

图 1金鱼 ABC转运蛋白系统进化树

Figure 1 Phylogenetic tree of the ABC transporter proteins ingoldfish

续表 1Continuing table 1

基因名称

Gene nameABCF2bABCF3ABCG1ABCG2aABCG2bABCG2cABCG4aABCG5ABCG8ABCH1

GenBank登陆号

GenBank acc. No.MH420576MH420577MH420578MH420579MH420580MH420581MH420582MH420583MH420584MH420585

转录本长度(bp)mRNA length (bp)2 9962 4134 4242 3742 2313 5404 9312 2842 5314 492

蛋白长度(aa)Protein length (aa)616711699654618639644654676713

蛋白编码区 a

CDS status a

CCCCCCCCCC

结构域

Domain structureNBD-NBDNBD-NBDNBD-TMDNBD-TMDNBD-TMDNBD-TMDNBD-TMDNBD-TMDNBD-TMDNBD-TMD

参考 b (aa)Reference b (aa)616710673643618640641652676713

注: a:非全长编码序列, C:全长编码序列; b:斑马鱼蛋白序列长度

Note: a: Partial coding-DNA sequence; C: Complete coding-DNA sequence; b: Length of zebrafish protein

5

基因组学与应用生物学

表 2十种脊椎动物 ABC转运蛋白基因家族的比较

Table 2 Comparison of the ABC transporter gene family among ten vertebrates

基因名称

Gene nameABCA1ABCA2ABCA3ABCA4ABCA5ABCA6ABCA7ABCA8ABCA9ABCA10ABCA12ABCA13ABCA14ABCA15ABCA16ABCA17ABCB1ABCB2ABCB3ABCB4ABCB5ABCB6ABCB7ABCB8ABCB9ABCB10ABCB11ABCC1ABCC2ABCC3ABCC4ABCC5ABCC6ABCC7ABCC8ABCC9ABCC10ABCC11ABCC12ABCC13ABCD1ABCD2ABCD3ABCD4ABCE1

人类

H. sapiens111111111111000011111111111111111111111011111

小鼠

M. musculus111111121011111121111111111111111111101011111

鸡

G. gallus111110111011000012201111111111111011100101111

非洲爪蟾

X. laevis111110011110000011111111111111101001100010111

蜥蜴

A. carolinensis111110000010000011101111110011110110101011111

斑点叉尾鮰

I. punctatus311110100010000011201211111111121111101011212

罗非鱼

O. niloticus201200000010000001210211011111101111101011111

斑马鱼

D. rerio211210000010000001211211112111113121101111211

鲤鱼

C. carpio411220000010000000012000102120223122102111332

金鱼

C. auratus411210000010000001311211112111120121101111211

6

分析的其它硬骨鱼类中也有 2~4个拷贝。

金鱼 ABCB3 基因的 3个拷贝(ABCB3a, ABCB3b和 ABCB3c)聚在一起。ABCB3a和ABCB3b在鲤鱼染

色体上相邻的位置，2个拷贝可能来源于基因的串联

重复。进化树显示，ABCB4和 ABCB5以及 ABCB11亲缘关系比较近聚在一起，已有研究表明 ABCB1、ABCB4和 ABCB5 在脊索动物的历史上有着共同的

祖先(Moitra et al., 2011)。ABCD亚家族和 ABCF亚家族的各自成员首先

很好地聚在一起，然后再聚在一起，并且有较高的支

持率。ABCD亚家族中 ABCD3有 2个拷贝。ABCF亚家族分支中 ABCF2a和 ABCF2b 经与鲤鱼基因组

比对发现在染色体上相邻的位置，推测由基因的串

联重复产生。系统进化树显示，ABCG2 基因的 3个拷

贝 ABCG2a、ABCG2b 和 ABCG2c 很好地聚在一起。

目前，关于 ABCH在 ABC基因家族中的进化位置研

究较少，Jeong 等(2015)的研究显示，海水青鳉(Oryz-ias Melastigma) ABCH 与之前命名的鱼类 ABCG20/ABCG23聚为一支，并将它们划分为 ABCH亚家族。

序列分析时，我们发现金鱼 ABCH1蛋白序列与斑马

鱼的 ABCG23 (即 ABCH1)有最高的相似性；系统进

化树中也显示 ABCH1 与 ABCG 亚家族聚在一起，

进化关系更近。

2讨论

本研究从金鱼转录组基因集中共鉴定出 55 个

ABC转运蛋白基因，分属到 8个亚家族(A~H)。通过系

统进化分析和不同物种间 ABC转运蛋白基因家族成

员数目的比较，反映出 ABC基因家族在进化过程中

的变化，也反映出硬骨鱼类进化过程中基因组加倍

(3R和 4R-WGD)对ABC基因家族成员数目的影响。

与其它脊椎动物相比，在所分析的 5种硬骨鱼类基

因组中 10个基因(ABCA1, ABCA4, ABCB6, ABCB11,ABCC3, ABCC8, ABCD3, ABCF2, ABCG2 和 ABCG4)都有 2个拷贝，表明这些基因的重复可能是由于硬

骨鱼类特有的 3R-WGD造成的。硬骨鱼类占所有脊

椎动物数目的一半以上，适应各种海洋和淡水生境，

生物多样性极高；有学说指出硬骨鱼类的高度多样

化与其特异性基因组复制(3R-WGD)有密切的关系；

由于全基因组的重复，硬骨鱼类中有许多基因都有

两个同源性拷贝，而在四足动物中只有一个拷贝

(Hoegg et al., 2004)。在金鱼和鲤鱼的基因组中 3 个

基因(ABCA1, ABCB3 和 ABCC5)有 4个拷贝，而在其

它鱼类中则为 2 个拷贝，这些基因数目的加倍可能

是由于金鱼和鲤鱼特有的 4R-WGD造成的(Tingaud-sequeira et al., 2010; Xu et al., 2014)。

通过金鱼和与鲤鱼 ABC 转运蛋白家族成员的

比较显示，鲤鱼基因组中共鉴定出 61个 ABC转运

蛋白家族成员，而我们在金鱼转录组数据中共鉴定

出 55个成员；可能是由于某些基因在测序的组织中

未表达或者表达量较低未捕获到，造成拼接的转录

组数据不完整，某些基因没有鉴定出。鲤鱼和金鱼亲

缘关系很近，染色体数目相同(2n=100)，理论上 ABC转运蛋白基因家族成员相同，而在我们的比较分析

中发现，金鱼中的 6 个单拷贝基因(ABCB2, ABCB7,ABCB8, ABCB10, ABCC3 和 ABCH1)和 2 个多拷贝

基因(ABCB3 和 ABCB6)在鲤鱼分析中未鉴定出，一

方面可能是鲤鱼基因组不完整，造成某些基因缺失；

金鱼 ABC转运蛋白基因家族成员鉴定及分析

续表 2Continuing table 2

基因名称

Gene nameABCF1ABCF2ABCF3ABCG1ABCG2ABCG3ABCG4ABCG5ABCG8ABCH1Total

人类

H. sapiens111110111048

小鼠

M. musculus111111111053

鸡

G. gallus011110111043

非洲爪蟾

X. laevis111110111039

蜥蜴

A. carolinensis101100111034

斑点叉尾鮰

I. punctatus121120111050

罗非鱼

O. niloticus111120111040

斑马鱼

D. rerio121140211156

鲤鱼

C. carpio121150212061

金鱼

C. auratus121130111155

7

基因组学与应用生物学

另一方面可能基因组注释时没有注释出某些基因，

还有可能是在鉴定过程中采取的参数和方法等问题

漏掉某些基因。通过两物种的比较，取两物种 ABC转运蛋白基因成员的并集，初步估算该家族成员数

目应该在 72个以上。金鱼转录组中包含了 ABC转

运蛋白家族绝大多数成员，也表明我们构建的转录

组基因集覆盖了金鱼基因组绝大多数编码基因。

ABC转运蛋白与人类多种疾病相关，如 ABCA1可将外周组织中多余的胆固醇运回肝脏，经胆汁排泄

出体外，具有保护血管的功能，若其发生突变则会造

成胆固醇代谢紊乱(马云芳等, 2008)；ABCC7 突变会

导致囊胞性纤维症(Hlavac and Soucek, 2015)，ABCD1基因突变引起肾上腺脑白质营养不良(Gloeckner etal., 2000; Kemp and Wanders, 2007)；ABCB1 转运体

能够将机体的毒素和外源性物质转运出细胞，起保

护机体的作用(Vasiliou et al., 2008; 陈刚等, 2016)。本研究结果为 ABC转运蛋白在金鱼生化生理、毒理

和进化等方面的研究提供了基础资料。

3材料与方法

3.1金鱼 ABC转运蛋白基因家族成员的鉴定

用于鉴定金鱼 ABC 转运蛋白基因家族成员的

数据来源于本课题组利用三代和二代测序技术获得

的转录组基因集数据(未发表)。由于金鱼与鲤鱼和斑

马鱼的亲缘关系很近，利用鲤鱼和斑马鱼 2 个物种

的 ABC 转运蛋白序列作为查询序列，通过本地

BLASTP 和 TBLASTN 程序，E 值设置为 1E-10，比对金鱼转录组基因集数据，获得金鱼 ABC转运蛋白

基因转录本序列。斑马鱼和鲤鱼 ABC转运蛋白基因

核酸和蛋白序列分别从 Ensembl数据库(http://www.ensembl.org/index.html)和鲤鱼基因组数据库(http://www.fishbrowser.org/database/Commoncarp_genome/)中获得。利用 EMBOSS在线工具(Rice et al., 2000)中的GETORF程序(EMBOSSGUIv1.14; http://imed.med.ucm.es/cgi-bin/emboss.pl?_action=input&_app=getorf)预测金鱼 ABC 转运蛋白基因转录本的编码区域和

氨基酸序列。最后，所有ABC转运蛋白的序列进一步

通过 NCBI在线 BLASTP 程序核实。利用 SMART(Simple modular architecture research tool)在线程序

(http://smart.embl-heidelberg.de)对金鱼 ABC 转运蛋

白保守结构域进行预测(Letunic et al., 2012)。金鱼

ABC 转运蛋白基因转录本序列已提交到 GenBank数据库(表 1)。

3.2不同物种间 ABC转运蛋白基因家族成员的比较

研究

比较基因组研究中，我们选取了 5 大类脊椎动

物，包括了哺乳类中的人类和小鼠，鸟类中的鸡，爬

行类中的绿蜥蜴，两栖类的非洲爪蟾和鱼类中的罗

非鱼、斑点叉尾鮰、斑马鱼和鲤鱼。斑点叉尾鮰和鲤

鱼的 ABC 转运蛋白的序列来自已发表的研究结果

(Liu et al., 2013; Liu et al., 2016)。其它物种的氨基酸

序列从 Ensembl (http://www.ensembl.org/index.html)数据库网站检索下载，并通过已报道的文献(Liu etal., 2013; Liu et al., 2016)进一步核实。

3.3金鱼 ABC转运蛋白基因家族系统进化树构建

将本研究鉴定的金鱼 ABC 转运蛋白的氨基酸

序列，利用 ClustalX 1.83 (Thompson et al., 2002)进行

多重序列比对分析，然后使用 MEGA 7.0 构建系统

发生树(Kumar et al., 2016)，采用最大似然法(maximumlikelihood,ML)，并用 JTT矩阵模型，自展值(Bootstrap)设为 100次重复。

作者贡献

刘含梅完成论文的数据分析和文章初稿的撰写

工作；任建峰完成论文的构思、数据分析，以及论文

的撰写、修改和定稿；崔文耀和宋诗颖完成了金鱼样

本收集和转录组测序工作；李伟明参与论文的撰写

和修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。

致谢

本研究由上海市科委国际科技合作项目(15410-723300)和上海海洋大学优秀本科生项目(A1-2041-18-0000)共同资助。

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