薛晶晶 李開綿 陳松筆
摘要:木薯(Manihot esculenta Crantz)是重要的工業(yè)淀粉原料和生物質(zhì)能源作物,貯藏根富含淀粉。淀粉合酶是淀粉合成的關鍵酶,在淀粉合成中起著重要作用。采用生物信息學方法,以木薯淀粉合酶I為研究對象,對其氨基酸序列、甲基化、導肽、跨膜拓樸結構、疏水性親水性、磷酸化位點、亞細胞定位、蛋白質(zhì)二級結構與功能域進行分析和預測。結果表明,淀粉合酶SS在不同植物中的氨基酸序列差異性較大,但仍然具有一定的保守性氨基酸殘基,其氨基酸序列的功能結構域是一致的,表明淀粉合酶在植物中具有一定的保守性,與其在植物中的重要作用密切相關,為木薯淀粉合酶深入研究提供生物信息學的參考數(shù)據(jù)。
關鍵詞:木薯(Manihot esculenta Crantz);淀粉合酶I;結構與功能;生物信息學
中圖分類號:S533 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2014)22-5552-06
木薯(Manihot esculenta Crantz)隸屬于大戟科(Euphorbiaceae)木薯屬(Manihot P. Mill.)多年生灌木狀植物[1,2],原產(chǎn)于美洲熱帶,是世界三大薯類作物之一。木薯貯藏根淀粉含量在27%~34%之間,被譽為“淀粉之王”,是世界熱帶地區(qū)繼水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)、高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench]之后的第四大糧食作物,為熱帶、亞熱帶7億多人口提供了基本食糧,是我國熱帶和南亞熱帶地區(qū)推廣的重要生物質(zhì)能源作物,也是我國重要的工業(yè)淀粉原料和潛在的糧食作物[3]。
淀粉在人類生活中起著舉足輕重的作用,植物淀粉合成主要是在ADPG焦磷酸化酶(Adenosine 5-diphosph ate glucose pyrophosphorylase,AGPase)、淀粉合酶(Starch synthase, SS)、淀粉分支酶(Starch-branching enzyme, BE)和淀粉去分支酶(Starch debranching enzyme, DBE)等酶的催化下完成[4],這些酶在淀粉合成中扮演著不同的角色。SS是以寡聚糖為前體,腺苷二磷酸葡萄糖(ADP-Glc)為底物,通過α-1, 4鍵連接,將ADP-Glc上的葡萄糖(Glc)連到寡聚糖上,形成直鏈淀粉或分支淀粉的延伸分支鏈。根據(jù)提取液中與淀粉粒的結合程度,SS分為顆粒結合淀粉合酶(Granule bound starch synthase, GBSS)與可溶性淀粉合酶(Soluble starch synthase, SSs)。GBSS主要參與直鏈淀粉的合成,抗性淀粉的含量與淀粉中直鏈淀粉的比例相關,淀粉的結構變化也會影響淀粉在人體腸道的消化率[5]。SSs主要發(fā)生于質(zhì)粒的基質(zhì)空間,與天然淀粉密切相關,并參與支鏈淀粉中分支鏈的合成。SSs具有許多同工酶,如SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ和SSⅣ等,在支鏈淀粉合成中發(fā)揮著不同的作用[6]。SSI被檸檬酸鹽激活,加入糖原反應活性最大,主要負責延伸A和B1鏈,當達到不適于SSⅠ催化的臨界鏈長時,轉由其他SS繼續(xù)延伸或由SBE產(chǎn)生分支[7]。此外,不同作物的SS基因在淀粉合成中所發(fā)揮的作用也不同[8,9]。因此,了解淀粉合酶在木薯塊根淀粉合成中的作用可以為木薯塊根淀粉的研究提供依據(jù)。
本研究利用生物信息學的方法,以木薯淀粉合酶同工酶Ⅰ(Starch synthase isoformⅠ,SSⅠ)為研究對象,同時對淀粉含量較高的小麥(Triticum aestivum Linn.)、大麥(Hordeum vulgare L.)、小米(Setaria italica)、玉米、馬鈴薯(Solanum tuberosum)、甘薯(Dioscorea esculenta)、高粱、大豆(Glycine max)、蓖麻(Ricinus communis L.)以及模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻等SSI基因及相應氨基酸序列的組成成分、理化性質(zhì)、結構特征、功能等比對分析,以期為木薯淀粉合酶的深入研究提供生物信息學方面的參考。
1 材料與方法
1.1 材料
本研究中數(shù)據(jù)均來源于NCBI核苷酸及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫,包括:木薯SSⅠ基因(GenBank: ABV25893.1)、小麥SSⅠ基因(GenBank: CAB99209.1)、大麥SSⅠ基因(GenBank: AAF37876.1)、小米SSⅠ基因(NCBI Reference Sequence:XP_004964777.1)、玉米SSⅠ基因(GenBank: AFW85727.1)、馬鈴薯SSI基因(GenBank: CAA41359.1)、甘薯SSⅠ基因(GenBank: AAA86423.1)、高粱SSⅠ基因(GenBank: AAD45815.2)、大豆SSⅠ基因(NCBI Reference Sequence: XP_003523360.1)、蓖麻SSⅠ基因(GenBank: EEF37952.1)、擬南芥SSⅠ基因(GenBank: AED93282.1)和水稻SSⅠ基因(GenBank: BAA03739.1)。
1.2 方法
利用DNAMAN(Version6.0)等軟件及NCBI、CyMate、TMHMM Server v. 2.0、ExPaSy及NetPhos 2.0 Server等生物信息學軟件進行在線分析。
核苷酸及氨基酸序列、理化性質(zhì)、開放閱讀框(Open reading frame,ORF)的查找和翻譯等利用ExPaSy-ProtParam tool及ORFFinder等在線工具進行;核酸及氨基酸序列的相似性比對及系統(tǒng)進化關系利用DNAMAN軟件來完成;核苷酸序列胞嘧啶甲基化位點采用CyMate網(wǎng)站進行分析;蛋白質(zhì)導肽的預測、跨膜結構域及親水性/疏水性的分析利用在線工具TargetP 1.1 Server、TMHMM Server,v.2.0、ExPaSy-ProtScale完成;蛋白質(zhì)二級結構的預測利用SOPMA SECONDARY STRUCTURE PREDICTION METHOD在線工具完成,并通過英國Sanger中心Pfam數(shù)據(jù)庫比對分析其功能結構域;同時,利用NetPhos 2.0 Server對蛋白質(zhì)磷酸化位點進行預測和分析。endprint
2 結果與分析
2.1 核苷酸、氨基酸序列及生化特性分析
以小麥、大麥、小米、玉米、馬鈴薯、甘薯、高粱、大豆、蓖麻、擬南芥、水稻為對照,采用ProtParam tool分析NCBI數(shù)據(jù)庫中有關木薯淀粉合酶的基因和蛋白質(zhì)信息,結果如表1所示。由表1可知,木薯與上述11種植物的氨基酸殘基數(shù)基本一致,分子質(zhì)量也相差不多;但理論等電點(pI)在這些植物中差別很大,甘薯和蓖麻偏堿性,而其余植物的理論pI均偏酸性;氨基酸序列中含量最為豐富的氨基酸存在一定的相似性。這些植物的酸性和堿性氨基酸比例、總氨基酸帶電荷比例、極性氨基酸比例、疏水性氨基酸比例基本一致。用ProtParam tool分析這些植物的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,除小米和水稻外,其余的均屬于穩(wěn)定類蛋白。
2.2 核苷酸序列胞嘧啶甲基化分析
DNA甲基化是主要的表觀遺傳修飾形式,在植物基因表達、細胞分化以及系統(tǒng)發(fā)育中起著重要的調(diào)節(jié)作用。發(fā)生在基因啟動子區(qū)的胞嘧啶甲基化抑制其基因的轉錄,但發(fā)生在基因編碼區(qū)的胞嘧啶甲基化一般不影響其表達[10]。DNA甲基化在基因元件上的分布特征和表達特點反映了其在基因表達中的重要調(diào)控作用[11]。本研究利用CyMate(http://www.cymate.org/)在線生物信息學軟件,對木薯SSI基因的編碼區(qū)域(1 902 bp)可能發(fā)生甲基化的胞嘧啶進行分析,結果如圖1與表2所示。木薯SSI基因編碼區(qū)的胞嘧啶甲基化較少,對其他植物分析也得到相似的結果。
2.3 氨基酸序列同源性分析
利用DNAMAN軟件對木薯及其他植物淀粉合酶的氨基酸序列進行同源性比對及系統(tǒng)進化樹分析,結果如圖2所示。由圖2可以看出,SS基因在不同植物中編碼的氨基酸序列具有較大的差異,但仍存在保守的氨基酸殘基,這可能是上述植物中淀粉合酶的共性。木薯與小麥、大麥、小米、玉米、馬鈴薯、甘薯、高粱、大豆、蓖麻以及擬南芥、水稻的相似性分別為85%、85%、84%、85%、55%、55%、84%、80%、57%、78%及85%。對木薯淀粉合酶及其他植物的系統(tǒng)進化關系進行分析,這12種植物可以劃分為3大類(圖3),與木薯親緣關系最近的植物是擬南芥,其次是大豆,而親緣關系最遠的是同為大戟科植物的蓖麻。
2.4 氨基酸序列導肽的預測與分析
蛋白質(zhì)只有裝配成結構和功能的復合體,并位于正確的細胞部位,才能參與細胞的生命活動。導肽是一段引導新合成的肽鏈進入細胞器的識別序列[12]。因此,對氨基酸序列導肽的預測和分析,對了解蛋白質(zhì)的亞細胞定位與功能可提供一定的幫助。利用TargetP 1.1 Server在線軟件對木薯及其他11種植物氨基酸序列的導肽進行預測,結果如表3所示。由表3可以看出,淀粉合酶SSI蛋白質(zhì)序列在木薯中存在線粒體轉運肽,而在其他植物中均存在葉綠體轉運肽,其中木薯的可信度最低為4級,馬鈴薯的可信度最高為1級,其他植物的可信度多為2級。結果表明,所有植物淀粉合酶的蛋白質(zhì)序列都具有導肽,木薯中的淀粉合酶是線粒體導肽酶切位點,而其他植物是葉綠體導肽酶切位點。
2.5 跨膜結構域的預測和分析
跨膜結構域是膜中蛋白質(zhì)與膜脂相結合的主要部位,一般由20個左右的疏水氨基酸殘基形成α-螺旋,固著于細胞膜上起“錨定”作用[12]。預測和分析蛋白質(zhì)的跨膜結構域,對于了解其結構、功能以及細胞中的作用部位具有重要意義。利用TMHMM Server v. 2.0在線軟件對木薯淀粉合酶SSⅠ的氨基酸序列的跨膜結構域進行預測[13],結果如圖4所示。由圖4可以看出,木薯淀粉合酶SSⅠ的整條肽鏈都位于膜外,不存在跨膜結構域。對小麥、大麥、小米、玉米、馬鈴薯、甘薯、高粱、大豆、蓖麻、擬南芥及水稻的跨膜結構域進行預測,得到了相似的結果。
2.6 氨基酸疏水性/親水性的預測和分析
氨基酸的疏水性(親水性)是蛋白質(zhì)固有的特性,決定蛋白質(zhì)的三維空間構象。預測和分析蛋白質(zhì)的疏水性/親水性,是蛋白質(zhì)二級結構預測以及功能域劃分的一個重要過程[14]。用ProtScale在線軟件預測木薯淀粉合酶SSⅠ氨基酸序列的疏水性/親水性的結果如圖5所示。由圖5可以看出,多肽鏈第64位的Glu具有最低的分值(-3.322),親水性最強;第276、277位的Pro、Val具有最高的分值(2.378),疏水性最強。但從整體來看,親水性氨基酸均勻分布在整個肽鏈中,且存在一個明顯的親水區(qū)域。因此,木薯淀粉合酶SSⅠ整條多肽鏈表現(xiàn)為親水性。對小麥、大麥、小米、玉米、馬鈴薯、甘薯、高粱、大豆、蓖麻、擬南芥以及水稻的疏水性/親水性進行預測,結果與木薯一致。
2.7 蛋白質(zhì)二級結構的預測和分析
蛋白質(zhì)分子的多肽鏈通常折疊和盤曲成比較穩(wěn)定的空間結構,以形成特有的生物學活性和理化性質(zhì)[15],因此,分析蛋白質(zhì)二級結構對了解其空間結構具有重要意義。蛋白質(zhì)二級結構是指多肽鏈中主鏈原子以氫鍵構成的局部空間排布,其常見的結構元件主要有α-螺旋、β-轉角、延伸鏈和無規(guī)則卷曲等。
利用SOPMA SECONDARY STRUCTURE PRE
DICTION METHOD在線軟件預測木薯淀粉合酶SSⅠ氨基酸序列的二級結構[16,17],結果如圖6所示。由圖6可以看出,α-螺旋和無規(guī)則卷曲是其主要的結構元件,而β-轉角和延伸鏈則散布于整個蛋白質(zhì)中。該氨基酸序列由37.91%的α-螺旋、15.48%的延伸鏈、6.79%的β-轉角和39.81%的無規(guī)則卷曲組成。對小麥、大麥、小米、玉米、馬鈴薯、甘薯、高粱、大豆、蓖麻、擬南芥以及水稻的二級結構進行預測,結果與木薯一致。
2.8 蛋白質(zhì)功能結構域的預測和分析
結構域(Domain)是指蛋白質(zhì)中能折疊成特定三維結構的一段區(qū)域,其結構亞單位稱為模體(Motif),通常由2~3個二級結構單位組成,包含40~300個氨基酸殘基,三維空間可以明顯區(qū)分且相對獨立,并往往具有一定的生物學功能[18]。采用英國Sanger中心Pfam 27.0在線軟件分析木薯淀粉合酶SSⅠ氨基酸序列的功能結構域,結果如圖7所示。由圖7可以看出,該氨基酸序列具有兩個重要的功能域:氨基酸序列第124-382肽段與淀粉合酶催化功能區(qū)段相匹配;而氨基酸序列第440-590肽段與糖基轉移酶組功能區(qū)段相匹配。對小麥、大麥、小米、玉米、馬鈴薯、甘薯、高粱、大豆、蓖麻、擬南芥及水稻的二級結構進行預測,結果與木薯一致。endprint
2.9 蛋白質(zhì)磷酸化位點的預測和分析
蛋白質(zhì)磷酸化是指由蛋白質(zhì)激酶催化,將ATP或GTP的γ位磷酸基轉移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基(如絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸等)上的過程,是生物體一種重要的調(diào)節(jié)方式[19],蛋白質(zhì)磷酸化反應在細胞信號傳遞過程中占有極其重要的地位。本研究利用NetPhos 2.0 Server在線軟件分析木薯SSⅠ的磷酸化位點,結果如圖8所示。由圖8可以看出,該蛋白質(zhì)共有43個磷酸化位點,其中23個絲氨酸位點,10個蘇氨酸位點,10個酪氨酸位點。對其他11種植物的分析結果與木薯相似。木薯SSI蛋白質(zhì)磷酸化是SSI蛋白質(zhì)翻譯后的重要修飾方式。而蛋白質(zhì)磷酸化修飾位點及其與蛋白質(zhì)功能關系的研究,將有助于探討蛋白質(zhì)翻譯后修飾調(diào)控的精細機制。
2.10 蛋白質(zhì)的亞細胞定位
亞細胞定位是指某種蛋白質(zhì)或表達產(chǎn)物在細胞的具體部位,如細胞核、胞質(zhì)或者細胞膜等,亞細胞定位對于了解蛋白質(zhì)功能是非常重要的。本研究利用PSORT在線軟件對木薯SSⅠ進行亞細胞定位,結果如圖9所示。由圖9可以看出,SSⅠ定位于微體(過氧物酶體)的可能性為59%,定位于線粒體基質(zhì)的可能性為47.5%,于細胞質(zhì)的可能性為45%,定位于線粒體膜的可能性為18%,根據(jù)PSORT及導肽的預測分析,木薯SSⅠ可能是線粒體蛋白,定位于線粒體基質(zhì)中。
3 小結與討論
生物信息學的快速發(fā)展,為分子生物學的發(fā)展提供了有力幫助[20],更全面的數(shù)據(jù)庫建設、整合和數(shù)據(jù)挖掘,為基因、蛋白質(zhì)等深入研究提供了參考;另一方面的結構分析與功能預測更要以生物信息學為基礎,利用分子模擬技術結合計算機圖形技術可以更形象、更直觀地研究蛋白質(zhì)等生物大分子的結構,蛋白質(zhì)空間結構更清晰的表述和研究對揭示蛋白質(zhì)結構和功能的關系、總結蛋白質(zhì)結構的規(guī)律、預測蛋白質(zhì)肽鏈折疊和蛋白質(zhì)結構等,都有極大的幫助和促進。同時,也可以利用生物信息學進行大規(guī)模功能表達譜的分析及代謝網(wǎng)絡建模分析[21]。
本研究從生物信息學角度,以木薯淀粉合酶SSI為主要研究對象,同時對淀粉含量較高的11種植物淀粉合酶的核苷酸序列及其氨基酸序列結構特征進行分析,對其整條肽鏈的親水性、疏水性、亞細胞定位、二級結構等進行了預測,并對其功能結構域進行分析。研究結果表明,淀粉合酶SS在不同植物中的氨基酸序列差異性較大,但仍然具有一定的保守性氨基酸殘基,其氨基酸序列的功能結構域是一致的,表明淀粉合酶在植物中具有一定的保守性,與其在植物中的重要作用密切相關。但是木薯及其他植物淀粉合酶的導肽預測結果顯示,木薯的導肽為線粒體轉運肽,而其他植物均為葉綠體轉運肽,這可能是由木薯自身的淀粉合成途徑?jīng)Q定的,是木薯淀粉合酶特有的性質(zhì)。
淀粉合成過程中多種關鍵酶與淀粉結構的形成及其含量的關系一直是淀粉生物合成的研究熱點。而淀粉合酶是這些關鍵酶中的一種,在不同植物不同時間空間和不同形式類別中的作用極為復雜[22]。淀粉合酶作為淀粉生物合成過程中的關鍵酶與其他酶相互作用,從而影響淀粉的含量和性質(zhì);而這些作用的結果最終會影響植物尤其是農(nóng)作物的品質(zhì)。木薯塊根淀粉含量是木薯的重要部分,對淀粉合成過程中關鍵酶的研究是木薯研究的重點領域,目前已經(jīng)克隆了木薯可溶性淀粉合酶Ⅰ、Ⅱ(SSⅠ、SSⅡ)及顆粒結合淀粉合酶(GBSS)等,而對編碼淀粉合酶的不同基因分子進化和功能差異的研究[23],可以為木薯淀粉合成奠定良好基礎。
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(責任編輯 屠 晶)endprint