全 文 ：中国农学通报 2012,28(10):225-229
Chinese Agricultural Science Bulletin
0 引言
罂粟(Papaver somniferum L.)为重要的1年生药用
草本植物，含有丰富的吗啡生物碱[1]，主要用于镇痛 [2]。目
前对于其化学成分的研究主要集中在其所含的异喹啉
类生物碱[3]，小檗碱就是其中重要的一类。经过多年
来对小檗碱生化、药理临床的研究，发现它是一种没有
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助“抗感染防治新策略”(SWJTU11ZT25)。
第一作者简介：赵启明，男，1985年出生，助教，在读硕士，研究方向：生物化学与分子生物学。通信地址：610031四川省成都市二环路北一段111号
西南交大生命科学与工程学院，Tel：028-87603202，Email：ianyou000@sina.com。
通讯作者简介：李萍，女，1962年出生，教授，博士，研究方向：生物化学与分子生物学。通信地址：610031四川省成都市二环路北一段111号西南交
大生命科学与工程学院，Email：wu_mengting@163.com。
收稿日期：2011-11-28，修回日期：2012-03-05。
罂粟BBE基因的生物信息学分析
赵启明，陈大志，李 萍
（西南交通大学生命科学与工程学院，成都 610031）
摘 要：为了对罂粟BBE基因核酸及编码的蛋白质的性质进行预测分析，并构建罂粟BBE基因的三维结
构模型。运用生物信息学方法对罂粟BBE基因的理化性质、亲/疏水性、信号肽、亚细胞定位、二级结构
等进行预测，同时采用同源建模的方法对罂粟BBE基因的三维结构进行模拟，并将得到的模型用能量
最小化原则优化，最后用 Ramachandran Plot对模型进行评估。结果表明：罂粟 BBE基因全长为
5073 bp，编码一段长为535个氨基酸的蛋白质。BBE为富含Gly、Ser和Leu的酸性稳定类亲水蛋白，定
位于液泡中，N-末端含有 23个氨基酸的信号肽，α螺旋和无规则卷曲是罂粟BBE的主要二级结构元
件。通过同源建模获得了合理的罂粟BBE三维结构模型。本研究为采用生物工程技术提高小檗碱的
含量、开发小檗碱类抗菌药物奠定理论基础。
关键词：BBE基因；生物信息学；吗啡；小檗碱
中图分类号：Q943.2 文献标志码：A 论文编号：2011-3504
Bioinformatics Analysis of Berberine Bridge Enzyme in Papaver somniferum L.
Zhao Qiming, Chen Dazhi, Li Ping
(School of Life Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)
Abstract: This research aimed to analyze the structure and characters of BBE nucleic acid and protein in
Papaver Somniferum L. and construct the three-dimensional structure of BBE. The author used tools of
bioinformatics to analyze and predict BBE in the following aspects: biochemical function, hydrophilicity, signal
peptide, subcellular localization, secondary and tertiary structure of protein and so on. At the time, construct
the three-dimensional structure of BBE by comparative modeling using Discovery Studio, the model was
refined by energy minimization, and assessment by Ramachandran Plot. The results showed that the full length
of BBE gene and protein in Papaver somniferum L. was 5073 bp and 535 aa, respectively, BBE, which was
located in the vacuole, and a stable acidic protein and rich in Gly, Ser, Leu contained a signal peptide of 23
amino acids in the N terminal. α-helix and random coil were primary secondary structural components of BBE.
The author also obtained a reasonable three-dimensional structure of BBE in Papaver somniferum L. by
homology modeling. The research would helpful to improve the production of berberine by genetic engineering
means and develop new antibiotics.
Key words: BBE gene; bioinformatics; morphine; berberine
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细胞毒性和致病突变作用、具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤、
降血糖和调脂等多种用途的药物[4-6]。小檗碱的合成又
受到多种酶的调控，如甲基转移酶、细胞色素P450酶、小
檗碱桥酶等[7]。
小檗碱桥酶(berberine bridge enzyme, BBE)属于
黄素酶家族，通过双共价键与黄素腺嘌呤二核苷酸
(flavin adenine dinucleotide, FAD)连接，进而发生氧化
还原反应 [8]。BBE是小檗碱生物合成的关键酶，在
BBE的催化作用下，番荔枝碱N-甲基环化而形成小檗
碱的完整C环，从而构成原小檗碱的基本骨架-金黄紫
堇碱[9]，其在金黄紫堇碱 9-O甲基转移酶、氢化小檗碱
合成酶和四氢小檗碱氧化酶的进一步催化下最终合成
小檗碱[10]。
目前，国内关于罂粟BBE基因的研究仅仅停留在
PCR测序阶段，国外对罂粟BBE基因的研究主要在于
对其催化机制和动力学原理的研究，还没有对其理化
性质和结构方面的报道。本研究采用生物信息学的方
法，对罂粟的BBE核酸及相应氨基酸序列的组成成
分、理化特性、亚细胞定位、转运肽、信号肽、跨膜结构
域、亲水性/疏水性、二级结构和三级结构等进行预测
和推断，目的在于为采用生物工程技术改造BBE基因
来提高(S)-网状番荔枝碱或小檗碱的含量及开发小檗
碱类抗菌药物奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料
罂粟BBE基因的核苷酸序列(AF025430)和氨基
酸序列 (AAC61839)来源于美国国立生物信息中心
(national center for biotechnology information, NCBI)核
酸和蛋白质数据库。
1.2 方法
用Vector NTI Suite 8.0[11]软件和 ProtParam[12]在线
软件分析核酸及相应氨基酸序列的组成成分和理化性
质 ；用 在 线 软 件 TargetP 1.1[13]、SignalP 3.0[14] 和
TMHMM 2.0[15]完成蛋白质的亚细胞定位、转运肽、信
号肽和跨膜结构域分析；用ProtScale[12]在线软件分析
亲水性和疏水性；用SOPMA[16]在线软件预测蛋白质的
二级结构；通过Discovery Studio[17]软件预测三级结构。
2 结果与分析
2.1 罂粟BBE基因的组成成分和理化性质分析
用Vector NTI Suite 8.0软件和 Prot Param在线软
件分析罂粟BBE基因的组成成分和理化性质。BBE
基因全长为 5073 bp，其中开放阅读框为 1608 bp
(2651~4258)，起始密码子为 ATG，终止密码子为
TAG。氨基酸碱基数为 535，分子量为 59.90 kD，分子
式为 C2704H4145N699O793S24，含有 8365个原子，等电点为
5.30，含量最丰富的氨基酸为Gly(8.8%)、Ser(8.0%)和
Leu(9.7%)，不含有Ply和Sec，酸碱平均系数为1.31，是
稳定类蛋白质。
2.2 罂粟BBE的亚细胞定位、转运肽、信号肽和跨膜结
构域分析
用Target 1.1在线软件分析罂粟BBE的亚细胞定
位和转运肽。结果表明：罂粟BBE非定位于叶绿体或
线粒体中的蛋白质，这与罂粟BBE在液泡中发挥生物
学作用的结果一致[10]。用SignalP 3.0在线软件分析罂
粟BBE的信号肽，结果如图 1所示，罂粟BBE的N末
端含有23个氨基酸的信号肽，剪切位点在A23~A24之
间（分值为 0.983）。用TMHMM 2.0在线软件分析罂
粟BBE的跨膜结构域，结果如图 2所示，罂粟BBE为
非跨膜蛋白。
结合上述分析，可推断罂粟BBE前体蛋白被合成
后，在信号肽的引导下与内质网结合，继续合成为成熟
蛋白，之后以囊泡的形式与内质网分离，囊泡可直接与
液泡融合或囊泡融合在一起再与液泡融合，进而释放
BBE至液泡中发挥生物学作用。
图1 罂粟BBE的信号肽分析
0 10 20 30 40 50 60 70
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
S
oo
re
Position
·· 226
赵启明等：罂粟BBE基因的生物信息学分析
2.3 罂粟BBE的亲水性/疏水性分析
用ProtScale在线软件分析罂粟BBE的亲水性/疏
水性，结果如图3所示，56.9%的氨基酸表现出亲水性，
43.1%的氨基酸表现出疏水性，最大亲水分值为-2.367
(A429)，最大疏水分值为2.778(A14)，罂粟BBE总体表
现为亲水性蛋白质。此外，罂粟BBE的N-末端约 30
个氨基酸表现出强烈的疏水性，这也进一步验证了信
号肽预测的准确性。
2.4 罂粟BBE的二级结构分析
用SOPMA在线软件分析罂粟BBE的二级结构，
结果如图 4所示，α螺旋占 34.77%，β转角占 5.42%，直
链延伸占 21.50%，无规则卷曲占 38.31%。纵观罂粟
BBE的二级结构，α螺旋和无规则卷曲是罂粟BBE的
主要二级结构元件，而β转角和直链延伸散布于整个
图2 罂粟BBE的跨膜结构与分析
图3 罂粟BBE的亲水性/疏水性分析
h：α螺旋；c：无规则卷曲；e：直链延伸；t：β转角
图4 罂粟BBE的二级结构分析
0 100 200 300 400 500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
pr
ob
ab
il
it
y
transmembrane inside outside
5004003002001000-3
-2
-1
0
1
2
3
S
oo
re
Position
inside transmembrane
outside
·· 227
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蛋白质中。
2.5 罂粟BBE的三级结构分析
以罂粟BBE氨基酸序列为查询序列，用BLAST
程序在蛋白质数据库(protein data bank，PDB)中搜索
同源蛋白。将罂粟 BBE 与模板蛋白 (Accession：
3D2D_A；Query coverage：97%；E value：0.0)的一级序
列进行序列比对，将比对结果文件和模板蛋白的三维
结构文件输入到Discovery Studio软件中进行同源建
模，再用能量最小化方法对其进行结构优化，最后用
Ramachandran Plot检验模型的可靠性。结果如图5所
示，图中展示了罂粟BBE中的α螺旋，β折叠和转角，三
维结构的可靠性分析结果如图 6所示，90%以上的氨
基酸位点均处于结构合理区域。
图5 罂粟BBE的三级结构
图6 罂粟BBE的三级结构可靠性分析
3 结论和讨论
BBE作为吗啡合成途径和小檗碱合成途径的关
键酶而备受关注。本研究用生物信息学的方法对罂粟
BBE基因进行分析，得到了如下结论：（1）罂粟BBE基
因全长为 5073 bp，而开放阅读框为 2651位碱基到
4258位碱基之间的区域；氨基酸碱基数为535，是酸性
稳定类蛋白质，含量最丰富的氨基酸为 Gly、Ser和
Leu；（2）罂粟BBE为分泌型蛋白，定位于液泡中，N末
端含有 23个氨基酸的信号肽，非跨膜蛋白；（3）罂粟
BBE为亲水性蛋白质；（4）α螺旋和无规则卷曲是罂粟
BBE的主要二级结构元件，而β转角和直链延伸散布
于整个蛋白质中；（5）得到了合理的罂粟BBE三维结
构模型。
研究结果表明，BBE通过第 104位氨基酸（组氨
酸）和第166位氨基酸（半胱氨酸）与辅因子FAD的8α-
甲基和C-6原子形成二价共价键而连接在一起。这 2
种氨基酸的突变对BBE的表达、紫外光吸收和晶体结
构等都有显著影响[18]。此外，第352位，165位和417位
氨基酸都在 BBE与底物结合过程中发挥重要作
用 [19]。对罂粟及近缘物种BBE基因进行系统发育分
析，将有助于确定在进化过程中这些BBE中重要氨基
酸的选择性压力的变化情况，为更深入的研究BBE基
因的生物学功能以及抗癌、抗菌药物的开发奠定基
础。但是，目前提交到Genbank上的BBE基因序列较
少，不适于进行系统发育分析，所以对BBE基因进行
测序，并对其进行系统发育分析将是今后研究的一个
主要侧重点。
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