盐芥ThNHX1基因的生物信息学分析

1、第 1期 参考文献 :1伍昌胜 , 黄亚东 , 边银丙 . 黑木耳不同交配型的单倍体菌株RAPD /BSA 分析 J . 华中农业大学学报 , 2004, 23(1:131-134. 2宋小亚 , 肖扬 , 边丙银 . ISSR 分子标记技术在黑木耳单核体遗传分析中的应用 J . 菌物学报 , 2007, 26(4:528-533. 3马富英 , 罗信昌 . 28SrDNA PCR-RFLP 分析在侧耳属系统发 育研究中的应用 J . 华中农业大学学报 , 2002, 21(6:201-205.4ZHAO W G , MIAO X , ZANG B. Construction of finge

2、rprint-ing and genetic diversity of mulberry cultivars in China byISSR markers J . Acta Genetica Sinica , 2006, 33(9:851-860. 5MARYAM S , SRIVASTAVA P S. Analysis of genetic diversi-ty through AFLP , SAMPL , ISSR and RAPD markers in Tribulus terrestris , a medicinal herb J . Plant Cell , 2008, 27:51

3、9-528. 6HE X H , LI Y Z , TANG Z P. Genetic analysis of 23man-go cultivar collection in guangxi province revealed by ISSR J . Molecular Plant Breeding , 2005, 3(6:829-834.(责任编辑 王 珞 第 48卷第 1期 2009年1月 湖 北 农 业 科 学H ubei A gricultural S ciencesVol. 48No.1Jan . , 2009收稿日期 :2008-10-08基金项目 :南京晓庄学院科研项目 (200

4、8NXY10作者简介 :周梅仙 (1960-, 女 , 讲师 , 江苏宜兴人 ,(电话电子信箱 zhoumeixian6890。盐芥 (Thellungiella halophila 是一种盐生植物 , 与拟南芥的遗传特性 、 生活特性相似 , 均具有植株 矮小 、 自花传粉 、 种子多 、 生长周期短 、 基因组小 、 易 于转化的特点 1。 盐芥具有很强的抗低温 、 抗干旱和 耐盐的能力 , 它可以在 500mmol NaCl 中生长 1。 现 在甜土植物拟南芥全基因组序列已经完成 , 而盐芥EST 序列与拟南芥基因序列有 90%的同源性 2。 盐芥在 cDNA

5、 水平和氨基酸水平上与拟南芥分别有90%和 95%的同源性 , 因此 , 可以方便地将拟南芥的很多信息 (基因 、 蛋白质数据库以及突变体系等 移 至盐芥耐盐性的分子生物学研究内 。高盐环境是影响植物生长和发育的主要环境 因子之一 。 为了能够适应高盐环境 , 植物在进化过 程中 , 演化出三种机制来阻止过多的 Na +在胞液中盐芥 ThNHX1基因的生物信息学分析周梅仙(南京晓庄学院生命科学系 , 南京211171摘要 :利用相关的生物信息学软件分析了盐芥 ThNHX1基因编码蛋白的氨基酸组成 、 等电点 、 结 构域 、 特征位点 、 二级结构等蛋白质性质 , 并与 3种甜土植物蛋白做了对

6、比 。 结果表明 , 盐芥 ThNHX1基因编 码蛋白的分子式为 C 2790H 4328N 690O 760S 25, 属于稳定蛋白 ; 二级结构主要是以无规则卷曲和 -螺旋为主 。 在 所分析的指标中 , 盐芥 ThNHX1与 3种甜土植物的 NHX1相比 , 存在着一定的差异 。 关键词 :盐芥 ; ThNHX1基因 ; 生物信息学 ; 甜土植物 中图分类号 :Q949.748.3; Q753文献标识码 :A文章编号 :0439-8114(2009 01-0019-04Bioinformatic Analysis of ThNHX1Gene from Thellungiella halo

7、philaZH OU Mei-xian(Department of Life Science , Nanjing Xiaozhuang College , Nanjing 211171, China Abstract :The character istics of ThNHX1gene and its protein such as the constitution of amino acid , equipotential , do-main , characteristic spots , secondary structure in Thellungiella halophila we

8、re analyzed by a series of bioinformatics software. The results showed that this protein was stable , and the formula was C 2790H 4328N 690O 760S 25. The secondary structure was primari-ly composed of random coil and alpha helix. There some difference between ThNHX1in Thellungiella halophila and thr

9、ee glycophytes in salt-sensitive plants.Key words :Thellungiella halophila ; ThNHX1gene ; bioinformatics ; glycophytes!湖 北 农 业 科 学 2009年的积累 1, 3, 4, 即 Na +的外排 、 Na +的区域化和植物细胞 对 Na +的选择性吸收 。 其中 Na +的外排和液泡内 Na +区域化主要依赖于质膜和液泡膜上的 Na +/H +逆向 转运蛋白来完成 。 Na +/H +逆向转运蛋白在动物 、 植 物 、 藻类 、 酵母和细菌中都有发现 。 目前 , 已经克隆

10、 的植物液泡膜 Na +/H +逆向转运蛋白基因有拟南芥 (Arabidopsis thaliana 的 AtNHX15、 碱 蓬 (Suaeda maritima 的 SsNHX16、 玉米 (Zea mays 的 ZmNHX 7等 。 因此 , 盐芥是一种很有前景的植物耐盐模式系 统 , 现在已被很多实验室用于植物抗逆生理生化机 制的研究 。 我们利用生物信息学的方法研究 ThN-HX1的一级结构 、 二级结构并与拟南芥 ThNHX1基 因的序列进行了比对 , 从而对该基因的理化性质 、 结构特征和功能等进行预测和分析 , 以期为 ThN-HX1基因的深人研究提供参考和理论依据 。1材料与

11、方法数 据 资 料 来 源 于 National Center for Biotech-nology Information (NCBI 核酸及蛋白质数据库中已 注册的 NHX1的核酸序列及其对应的氨基酸序列 , 包括盐芥 (Thellungiella halophila , DQ995339、 拟南 芥 (Arabidopsis thaliana , NM_122597、 水稻 (Oryza sativa 品种 Japonica cultivar-group , NM_001067106、 小麦 (Triticum aestivum , AY040245。 利用生物信息 学数据库和互联网上的

12、软件进行分析 , 用 Protparam 8分析 NHX1编码蛋白的氨基酸序列组成 、 分子量 、 等电点等理化性质 ; 在 NCBI 9对其保守结构域进行 分析 ; 用 GOR410预测其二级结构 ; 用 Protfun 11, 12分 析蛋白质功能 。 所用主要分析软件的网址如下 : Protparam :http :/www.expasy.ch /tools / protparam.html.GOR4:http :/npsa-pbil.ibcp.fr :80/cgi-bin / npsa_automat.pl ? page=npsa_gor4.html.Protfun :http :/w

13、ww.cbs.dtu.dk /services / ProtFun /NCBI :http :/.2结果与分析2.1盐芥 ThNHX1基因编码的氨基酸序列的分析 该 cDNA 全 长 2045bp 。 通 过 NCBI 网 站 的 ORF Finder 工具分析 , 推测该基因包括 1638bp 的 开放读码框 (open reading frame , ORF , 42个碱基 的 5 非翻译区 (5-untranslated region or 5-UTR , 365个碱基的 3 非翻译区 (3-untranslated region or 3-UTR

14、 , 编码 1个 545个氨基酸的多肽 。在 NCBI 对其保守结构域分析的结果如图 1所 示 。 NhaP 结构域是 Na +/H +和 K +/H +无机离子逆向转 运蛋白的保守结构域 ; Na_H_Exchanger是 Na +/H +交 换体家族 。 Na +/H +逆向转运蛋白是维持细胞所需物 质交换的最适 pH 最关键的逆向转运蛋白 。 逆向转 运蛋白的分子机理目前还不太清楚 。 这些逆向转运 蛋白在氨基末端含有 1012个跨膜区域 , 在羧基末 端有一个大的细胞质区域 。 M3M12跨膜区域与家 族其他成员是一样的 。 M6和 M7区域是高度保守 的 。 所以 , 推测这些区域参

15、与了钠离子和氢离子的 转 运 。 KefB 是 细 胞 膜 一 部 分 , 是 K +转 运 系 统 。 PRK05326是 K +/H +逆 向 转 运 蛋 白 。 COG3263是 NhaP 的一种类型 , 该逆向转运蛋白具有一个独特的 C 末端区域 。2.2盐芥 ThNHX1基因编码蛋白的理化性质 用 ProtParam 分析软件对盐芥 ThNHX1编码蛋 白的理化性质进行预测 , 推测该蛋白的分子式为 C 2790H 4328N 690O 760S 25, 分 子 量 是 60498.7Da , 等 电 点 PI 6.94; 理论推导其半衰期分别为 :30h (体外 , 哺乳动 物的网

16、织红细胞内 ; 20h (体内 , 酵母细胞内 ; 10h (体内 , 大肠杆菌 。 不稳定参数是 34.82, 属于稳定 蛋白 。 该基因编码的氨基酸如图 2所示 :含 Leu (L 最多 , 占 13.2%; 不含 Asx (B 、 Glx (Z 、 Xaa (X 。 总的 带正电残基 (Arg+Lys 为 40, 负电残基 (Asp+Glu 为 41。 总的亲水性平均系数为 0.471, 预测该蛋白属于 疏水性蛋白 。表 1显示 , 盐芥 ThNHX1的特殊氨基酸组成与 3种甜土植物的比较表明 , 除小麦以外 , 不同植物 NHX1的分子量 、 酸性和碱性氨基酸的比例 、 极性氨 基酸的

17、比例 、 疏水性氨基酸的比例基本一致 ; 含量 最丰富的氨基酸基本均为 Leu 、 Ser 、 Phe 、 Val 、 Thr ; 均 属稳定类蛋白质 。 不同植物 NHX1理论等电点 PI 存在一定的差异 , 盐芥与拟南芥 NHX1的 PI 比较 图 1盐芥 ThNHX1基因结构域 1100200300400500545图 2盐芥 ThNHX1基因编码氨基酸组成 14.012.010.08.06.04.02.00.0百分比/%AlaArgAsnAspCysGlnGluGlyHisIleLeuLysMetPheProSerThrTrpTyrVal 氨基酸3.5%7.0%3.7%4.8%1.1%

18、2.0%2.8%6.2%2.8%6.6%13.2%3.9%3.5%8.3%3.5%8.6%7.6%1.1%2.6% 7.7%20第 1期接近 , 分别为 6.94和 6.73; 水稻和小麦 NHX1的 PI 比 较 接 近 , 分 别 为 8.67和 8.13。 盐 芥 与 拟 南 芥 NHX1在各指数上都比较接近 , 这与它们之间的亲 缘关系相近是吻合的 。2.3盐芥 ThNHX1蛋白的二级结构应用 GOR 法分析盐芥 ThNHX1蛋白的二级结 构 , 结果见图 3。 分析表明 , 在该氨基酸序列中 , 共有 -螺旋 (Alpha helix 176处 , 占总二级结构的 32.29%; 延

19、伸链 (Extended strand 126处 , 占总二级结构的 23.12%; 无 规 则 卷 曲 (Random coil 243处 , 占 总 二 级结构的 44.59%。通过物种间的比较发现 , 盐芥 ThNHX1的二级 结构与其他 3个物种的存在一定的差异 , 但差异并 不大 (表 2。 在盐芥 ThNHX1蛋白中 , -螺旋分别 比拟南芥和小麦多 24和 25个 , 比水稻少 7个 ; 延 伸链比小麦和水稻分别多 9和 2个 , 比拟南芥少 6 个 ; 无规则卷曲比水稻多 15个 , 比拟南芥 、 小麦分 别少 11、 35个 。 说明盐芥 ThNHX1蛋白在空间结构 上与拟南

20、芥 、 水稻 、 小麦相比发生了一定的变异 。2.4盐芥 ThNHX1蛋白质的结构分析和功能分类 ProtFun 预测 ThNHX1基因编码的蛋白含有 2个 N-糖 基 化 位 点 (53, 296; 2个 O-糖 基 化 位 点 (535, 543; 24个磷酸化位点 (6, 17, 19, 21, 77, 252, 336, 338, 340, 348, 378, 460, 478, 493, 515, 533, 253, 304, 305, 343, 465, 535, 152, 292; 12个 跨 膜 位 点 (12putative TM helices at positions ,

21、 2446, 5572, 87104, 116138, 153172, 179201, 221243, 270 292, 307324, 345367, 387406, 419441。 ProtFun 预测 ThNHX1蛋白的功能分类如图 4箭头所示 , 推测该蛋白的功能可能是转运结合体 (Transport and binding , 进一步预测该基因编码蛋 白是转运蛋白 (Transporter 。3小结与讨论本文利用 ProtParam 对盐芥 ThNHX1编码蛋白 的理化性质进行了预测 , 推测该蛋白的分子式为 C 2790H 4328N 690O 760S 25, 分子量是 6049

22、8.7Da , 等电点 PI 6.94。 盐芥 ThNHX1的特殊氨基酸组成与 3种甜土 植物的比较表明 , 大部分指数基本一致 。 盐芥与拟 南芥 NHX1在各指数上都比较接近 , 这与它们之间 的亲缘关系相近是吻合的 。 对其保守结构域的分析 表明 , 盐芥 ThNHX1具有 NhaP 结构域 , NhaP 结构 域是 Na +/H +和 K +/H +无机离子逆向转运蛋白的保守 结构域 。应用 GOR 法分析盐芥 ThNHX1的二级结构结图 3ThNHX1蛋白的二级结构表 2不同植物 NHX1基因的二级结构分析-螺旋延伸链无规则卷曲总数个176126243比例%32.2923.1244.

23、59总数个152132254比例%28.2524.5447.21总数个183124228比例%34.2123.1842.62总数 个151 117 278比例 % 27.66 21.43 50.92盐芥 拟南芥 水稻 小麦表 1不同植物 NHX1基因的核酸序列及对应氨基酸序列的组成成分 、 理化性质分析项目盐芥 拟南芥 水稻 小麦GeneBank登录号DQ995339NM_122597NM_001067106AY040245开放阅读框bp1638161716081641编码的氨基酸总数545538535546分子量Da60498.759513.459070.359704.3理论等电点PI6.9

24、46.738.678.13含量最丰富的氨基酸 /%Leu13.2Leu13.2Leu12.9Leu13.4Ser 8.6Ser 8.9Ser 9.0Ile 8.6Phe 8.3Phe 7.8Phe 8.0Val 8.4Val 7.7Val 7.8Val7.5Phe8.1Thr7.3Thr7.6Thr7.5Ser 7.9碱性氨基酸比例%8.9酸性氨基酸比例%7.6%疏水性氨基酸比例%50.950.151.453.5极性氨基酸比例%38.834.8232.7135.5831.03属于稳定蛋白 属于稳定蛋白 属于稳定蛋白 属于稳定蛋白 蛋

25、白质不稳 定性指数 /%周梅仙 :盐芥 ThNHX1基因的生物信息学分析 21湖 北 农 业 科 学 2009年图 4ThNHX1蛋白的功能分类(责任编辑 王 珞 果表明 , ThNHX1的二级结构以无规则卷曲和 -螺 旋为主 。 通过物种间比较发现 , 盐芥 ThNHX1二级 结构与其他 3个物种的有一定的差异 , 说明盐芥ThNHX1蛋白在空间结构上与拟南芥 、 水稻 、 小麦的相比发生了一定的变异 。采用蛋白质序列进行后续分析十分重要 , 即使 两条 DNA 序列之间具有 67%的相关性 , 但是在蛋 白质水平上仍可获得 100%的一致性 。 显然 , 使用蛋 白质序列进行后续分析更能够

26、发现该研究对象的 生物学意义 , 因为蛋白质水平之间具有 25%的同源 性就可提示其功能的相似性 , 但是在 DNA 水平则 需要 40%以上的一致性 10。 应用生物信息学方法对 已知 NHX1序列进行比对 、 分析 , 从而对其结构和 功能进行推断和预测 , 这可以为我们在开展试验研 究前提供尽可能多的信息 , 从而为选择合适的试验 方法提供理论参考 , 为进一步对该基因的功能研究提供线索 。参考文献 :1JIAN-KANG ZHU. Plant salt tolerance J . T rends in Plant Science , 2001, 6(2:66-71.2TAJI T ,

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