生物信息学论文汇总

1、生物信息学课程论文一个玉米 Mlo 基因的电子克隆与生物信息学分析姓名：学号：班级：生科2班一个玉米 Mlo 基因的电子克隆与生物信息学分析摘 要：Mlo 基因家族在植物抗病方面有极大的优势，但有些 Mlo 基因的功能还未知。经序列拼接电子克隆得 到 1 个玉米的 Mlo 基因，采用生物信息学方法预测分析了编码蛋白的一、二、三级结构，并对其功能进行了预测。结 果表明：玉米 Mlo 基因编码的蛋白有一个保守的 DUF1084 结构域，此结构域功能在植物中尚未知。生物信息学分析 表明，此蛋白很可能是一种类似于 G 蛋白偶联受体的膜结合转运蛋白而参与到信号传递过程中。 关键词：玉米；Mlo 基因；电

2、子克隆；生物信息学植物在长期的生物进化中形成了一系列复杂而 严密的防御机制，使自身免受病原物的侵害1，2。抗 病基因是植物防御体系中的最重要组成部分。Mlo 基因最初在大麦中被发现，这类基因在植物中编码 一个七次跨膜结构域的蛋白家族，可能起到与 G 蛋 白偶联受体(G Protein Coupled Receptor，GPCR)类似 的功能。他们的拓扑结构、亚细胞定位和序列多样化 与动物和真菌的 G 蛋白偶联受体很相似。野生型 mlo 基因赋予大麦对白粉菌的广谱抗性3。白粉病是 由白粉菌引起的真菌性病害，白粉菌能侵染 650 多 种单子叶植物和 9 000 多种双子叶植物4，5。目前已 对拟南

3、芥、水稻和杨树中的 Mlo 基因家族有深入的 研究6。 电子克隆法是近年来基于表达序列标签(Expressed Sequence Tag，EST)和基因组数据库发展起来 的基因克隆新型技术7，具有效率高、成本低、对实验 条件要求低等特点。因此可以快速获得一些新基因， 从而使新基因的应用成为可能。 挖掘玉米中未知的抗病基因对玉米的抗病育种 有很大帮助。本研究以玉米为材料，对其中的一个 Mlo 基因进行电子克隆，并对其进行部分生物信息 学方面分析，为玉米 Mlo 基因的应用及玉米的抗病 育种提供理论依据。 1 材料与方法1.1 试验材料 来自 National Center for Biotech

4、nology Information(NCBI)的蛋白及核酸数据库。 1.2 玉米 Mlo 基因的电子克隆 根 据 GenBank 上 公 布 的 水 稻 Mlo 基 因 序 列 (Os01g54784.1)，通过 NCBI 的 tblastn 得到玉米的 EST 序 列 (GenBank 登 录 号 分 别 为 EE177882.2，DV523805.1，EB163548.1，EB163379.1)，经序列拼接 后利用 NCBI 的 ORF Finder 得到玉米 Mlo 基因的 cDNA 序列。 1.3 玉米 Mlo 基因的生物信息学分析 利用来自生物信息学数据库和互联网上的软件 进行分析

5、8，9。用 Protparam 分析蛋白的一级结构及其 等电点、分子量和半衰期；用 TMHMM2.0 Server 进行 跨膜结构域分析；用 Predictprotein 和 SOPMA 预测 其二级结构和疏水性；用 TargetP 进行导肽分析；用SignalP 3.0 Server 进行信号肽分析；用 Protfun 2.0 Server 分析蛋白质功能；用 CPHmodels- 3.0 Server 预 测其三级结构。 2 结果与分析 2.1 玉米 Mlo 基因的电子克隆及蛋白翻译 玉米 EST 序列经序列拼接后得到 Mlo 基因的 全长及翻译蛋白如下： Mlo 基因的 cDNA 为：

6、ATGGGCCGCTACGGGCCCTTCCCTGCCGCCGCCGGTGATGGCGGGGGCTGCCTGCCCCTGCCGATTGTAGCGGCTGAAGGCGCGCTGGCTGTCCTGGACGGCGCCATTGCGACCGCGGCCTTCGTGCAGTTAGCAAGGATTCATAGGCACAACCAGCTACAAGGATGGACTCGGCAAAAGATATTCCATTTTATGATTGGTCTATCAAACATAGTATTCCTAGTATATTTCGTGTCTACCATCATTGCTACTTGTCAGAGATGGATTTGCTGGGTACATGGATGTGGATTTGTTCTCATG

7、GCTAGTCCACAGATATTGCTTCTTGCTTCTTTCCTCTTGCTACTGTCATTCTGGGTTGACCTGTGTCATCAGACAAATGATGAAGACGAAGAAGATGGAAGGAGTCAGAGTCACCATGAAGCTTTACTAGACAGAACAAAAGCGAAACCTGGCATTCATCCTGTTAATATCCGTCAGAGGTGTTGCCCAGGAATACAGCTTGGAAGCCGGCAAAAATTTGTGATTTTGGTGCTTCTACTGTCATTTGTTGTTATGCTTGCCTTTGCCATCCTCATATGGGTTGGTAGAGGAGACAATCCT

8、ATCGATTCTTCTCTACTGAAAAGGGTTTATTTGGATGTATTTTCAGTAGTAGTTATTGTACTTGGTGGTGCTCTGGCATGTTACGGTGCAGTGTTATTCTCGAAGATGAGCAAAGTTCGTTCTGAAACTGTATCAACTGAGAAGTGGAAGGTTGCCAGTTTAGCTGCTGTCTCGCTGATCTGTTTCTCGTCTTCTGCTATACTTGCACTTGTGACTAATGTTCCAGTGCTTTTGTATTGGTACTCAACAGATGTGGACATCATCAACAATGCTGTTATTTTGTTTATATATTACTTCATA

9、GGCTCGTCAGTGCCATCAGGATTTGTTCTATGGATCATGAGAGAGATGCCTCATCGGCAGGTAGTTGAAAGATCCGTAGAATCGAGGGTGGTTACTTTGTTCAGGGAAAGACCATCAACTACGCAGGATCCACAGTGGAGGACAGCTGTCACATCCTCAAA CAAGGCCCTCAAGTCAAGCCCAATTTAA 翻译蛋白为： MGRYGPFPAAAGDGGGCLPLPIVAAEGALAVLDGAIATAAFVQLARIHRHNQLQGWTRQKIFHFMIGLSNIVFLVYFVSTIIATCQRWICWVHGCGFVLMAS

10、PQILLLASFLLLLSFWVDLCHQTNDEDEEDGRSQSHHEALLDRTKAKPGIHPVNIRQRCCPGIQLGSRQKFVILVLLLSFVVMLAFAILIWVGRGDNPIDSSLLKRVYLDVFSVVVIVLGGALACYGAVLFSKMSKVRSETVSTEKWKVASLAAVSLICFSSSAILALVTNVPVLLYWYSTDVDIINNAVILFIYYFIGSSVPSGFVLWIMREMPHRQVVERSVESRVVTLFRERPSTTQDPQWRTAVTSSNKALKSSPI由此可知，玉米 Mlo 基因 cDNA 全长为 1 089 bp，编码的蛋白具有

11、 362 个氨基酸残基。 2.2 蛋白一级结构及理化性质预测 利用 Protparam得知，该蛋白的分子量为 40 025.9 Da，等电点(pI)为 8.97，带正电残基(Arg+Lys)总数为 31，负电残基(Asp+Glu)为 24。总的亲水性平均系数 为 0.480，预测该蛋白属于疏水性蛋白。理论推导半 衰期为 30 h，不稳定参数是 46.29，属于不稳定蛋白。 这可能是其功能不明的原因之一。其氨基酸组成见 表 1。由表 1 可知，该基因含 Leu(L)最多，占 11.6； 其 次 为 Val (V)，占 10.8%；不 含 Pyl (O)、See (U)、Asx (B)、Glx(Z

12、)和 Xaa(X)氨基酸。 2.3 跨膜分析 跨膜结构域是膜中蛋白与膜脂结合的主要部 位，一般由 20 个左右的疏水氨基酸残基组成，形成 螺旋，与膜脂相结合。预测和分析跨膜结构域对认 识蛋白质的结构、功能、分类以及在细胞中的作用部 位均有一定的意义。用 HMTOP 和 TMHMM预测跨 膜结构分析均表明(图 1)，此蛋白有 7 次跨膜的结构 域，分别在 17- 41、62- 84、97- 119、173- 194、209- 233、 254- 278、291- 312 个氨基酸处形成跨膜的结构域。 提示此蛋白具有多次跨膜的结构域，可能具有与 G 蛋白偶联受体相类似的功能。2.4 保守结构域分析

13、 利用 NCBI 链接的 CDD 分析表明，玉米 Mlo 基 因编码的蛋白属于 DUF1084 超家族的一类膜结合 蛋白(图 2)，此家族的蛋白从植物到人类均非常保守 (拟南芥、水稻、线虫、斑马鱼)，但其功能尚未知。用 ProtFun 2.2 Server 预测此蛋白的功能，此蛋白为非 酶的膜结合转运蛋白。2.5 信号肽及导肽预测和分析 分泌蛋白及细胞膜蛋白均以前体物质多肽的形 式合成10，其 N 末端含有作为通过膜时信号的氨基 酸序列，这种氨基酸序列称信号肽或信号序列，由 1525 个氨基酸所组成。而导肽是一段引导新合成 的 肽 链 进 入 细 胞 器 的 识 别 序 列。用 SignalP

14、 3.0 Server 及 TargetP 1.1 Server 分析表明，此蛋白为叶 绿体转运蛋白(分值为 0.044)和线粒体定位蛋白(分值为 0.037)的可能性均较小，不是信号肽。结合跨膜结构分析 的结果，推测其可能在生物膜上作为一种接收信号的膜 结合蛋白而参与到信号传递过程中。 2.6 玉米 Mlo 基因氨基酸序列疏水性 / 亲水性的 预测和分析氨基酸是蛋白质的构件分子，其亲水性 / 疏水 性在形成和保持蛋白质的三级结构上起作用。通过 了解肽链中不同肽段的疏水性，还可以对蛋白的跨 膜结构域进行预测。因此，疏水性 / 亲水性的预测和 分析，为蛋白质次级结构的预测及功能分析提供理 论参考

15、。采用 ProtScale 分析此蛋白的疏水性 / 亲水 性结果表明(图 3)，亲水性最强分值为 -3.267，疏水 性最强分值为 3.478，总体来看，氨基酸分值分布比 较均匀，氨基酸序列没有明显的疏水性或亲水性区 域或亲水 / 疏水区域分布较为均匀。结合一级结构 分析结果认为，此蛋白总体表现为疏水性，但疏水 性不强。 2.7 二级结构的预测和分析 多肽链借助氢键排列成沿一维方向而呈现有规 则的重复构象的二级结构，是氨基酸顺序与三维构 象之间的桥梁。二级结构借助范德华力、氢键、静电 和疏水等相互作用形成蛋白质的三级结构，从而发 挥正常的生物学功能。用 SOPMA 对此蛋白的二级 结构预测表明

16、(图 4)，此蛋白 螺旋占 44.08%，无规 则卷曲占 34.21%， 转角和延伸占 21.71%。2.8 三级结构分析 利用 Expasy 的在线 CPHmodels 3.0 Server 工具 预测玉米 Mlo 蛋白的三级结构，利用 SweetMollyGrace 视图软件得到如下三维结构图(图 5)。从图 5 可以看出，玉米 Mloo 蛋白的三维结构属于典型的 Mlo 家族，并在其 N 端可能还存在一个特殊的结构 域用来结合膜外的信号。2.9 与水稻 Mlo 基因的比较 利用 Clustalx 软件对玉米和水稻的 Mlo 蛋白序列进行比对结果表明，玉米与水稻的相似性为 83.47%，结

17、果如下： 比对结果表明，Mlo 基因在进化中有很大的保 守性，而这也是 G 蛋白偶联受体的最重要特征。 3 结 论 利用从 NCBI 得到的玉米 ESTs 序列，经拼接后 得到玉米 Mlo 基因的 cDNA 全长。利用生物信息学 方法对其编码氨基酸序列从结构组成、基本理化性 质、疏水性 / 亲水性、导肽和信号肽、蛋白质二级及 三级结构以及功能域等方面进行了预测和分析。结 果表明，从玉米中克隆得到的 Mlo 基因全长 1 089 bp，编码 362 个氨基酸，不含 Asx(B)和 Glx(Z)氨基 酸，是一种不稳定蛋白，这也可能是其功能尚不明确 的原因。二级结构显示此蛋白没有明显的疏水或亲 水性

18、区域。信号肽预测、跨膜结构域分析及保守结构 域分析表明此蛋白为导肽的可能性很小，既非叶绿 体转运蛋白，也非线粒体定位蛋白。三级结构预测其 有类似 G 蛋白偶联受体的结构，推测其可能在生物 膜上作为一种接收信号的非酶的膜结合蛋白而参与 到信号传递过程中，且 Mlo 基因在进化上体现出较 大的保守性。具体的功能还有待进行进一步的实验 研究。参考文献：1 韩德俊，李振岐，曹 莉，等 . 大麦抗白粉病基因 Mlo 的研究进展 J . 西北植物学报，2003，23(3)：496-502 . 2 秦余香，赵双宜，支大英，等 . 根癌农杆菌介导大麦 Mlo 反义基因 转化小麦J . 山东大学学报(理学版)，2004，39(5)：102-106 . 3 Alessandra D, H Andreas H, et al. Molecular phylogeny and evolution of the plant-specific seven-transmembrane MLO family J. J. Mol. Evol., 2003, 56: 77-88. 4 李 凡，胡东