过敏性坏死反应是植物的一种重要的抗病机制,类似于动物细胞凋亡,它是一种程序性细胞死亡(PCD)过程。目前,已经确定半胱天冬蛋白酶(caspase)在动物PCD过程中起核心作用；在植物界中,没有发现其直系同源蛋白,但是有一类与其结构相似的蛋白酶,称为metacaspase。基于序列和结构上的相似性,metacaspase可以分成typeⅠ和Itype Ⅱ两种类型。在植物不同的PCD过程中,有的依赖metacaspase,而有的则不依赖于该类蛋白酶。目前对metacaspase的结构和功能已有了初步的研究,对其深入的研究则进展缓慢,其具体的生物学功能和在PCD信号路径中的定位有待进一步探索。本论文利用生物信息学方法分析metacaspase基因在植物界中的分布,以拟南芥和水稻的metacaspase为代表分析其结构和功能,并从现有的基因芯片数据来挖掘与netacaspase功能相关并参与植物PCD或其他细胞对外界刺激因子应答过程的基因成员。分析发现29个植物物种含有metacaspase基因。在已完成基因组测序的植物中,metacaspase基因的数量和物种基因组的大小成正相关,即高等植物的metacaspase基因数量多于低等植物,双子叶和单子叶植物间metacaspase基因数目的差异不显著。有证据显示拟南芥和水稻中的rnetacaspase基因发生了倍增,这为metacaspase基因的功能分化提供了基础。在rnetacaspase蛋白序列中,p20亚结构域比p10亚结构域更保守,这样可能与它们在功能上的差异性有关,并且被推测的处于活性中心的组氨酸和半胱氨酸都位于p20区域内。预测得到的-netacaspase蛋白三维空间结构与caspase和paracaspase的空间结果十分相似,这种结构可能来源于共同的祖先,也暗示了它们的功能也可能存在相似的地方。根据差异表达分析结果,推测拟南芥9个metacaspase基因不同程度地参与了细胞对外刺激反应过程,其中AtMC1、AtMC2、AtMC3、AtMC4、AtMC8更多地参与了该类过程,而AtMC5、AtMC6、 AtMC7、AtMC9则很少参与这些过程,这可能是它们功能差异所导致的一个结果。同时,拟南芥不同metacaspase在不同实验条件下相关基因的交集没有重叠,这可能也暗示着这些metacaspase存在于不同的功能模块内,具有不同生物学功能。在分析得到的metacaspase相关基因的蛋白质产物中,绝大部分都属于酶蛋白,同时根据它们在细胞中的定位及功能可以推测细胞的内膜系统、线粒体、叶绿体以及细胞骨架都参与了细胞应对外界环境刺激的过程,这个过程包括很多个环节,例如蛋白激酶介导的信号转导与传递、活性氧和一氧化氮的产生与动态变化、蛋白质的加工、修饰及水解等,这些环节涉及到诸多蛋白酶,包括蛋白激酶、蛋白水解酶、氧化还原酶、转移酶等。这些相关基因成员不仅在PCD中发挥作用,同时也参与了细胞对外刺激(物理、化学、生物因子)反应的其它不同过程。在哺乳动物中也存在一些metacaspase相关基因的同源蛋白质,并且参与了细胞凋亡或免疫反应等抗干扰过程,这证明了这些蛋白质所参与的生物学过程在动植物间的保守性以及动植物抗外界干扰机制的相似性。尽管找到了一些符合条件的水稻基因表达芯片数据,但是根据我们的分析方法和判断标准没有发现显著性差异表达的水稻metacaspase基因,并且到目前为止还没有关于水稻metacaspase基因功能的研究报道,这可能也暗示着metacaspase基因的功能在不同植物间的差异。