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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2012年第10期
收稿日期 : 2012-06-26
基金项目 : 贵州省优秀科技教育人才省长基金项目（黔省专合字 2008-61 号）
作者简介 : 蔡振锋 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 药用植物分子遗传学 ; E-mail: czf252271568@163.com
通讯作者 : 钱刚 , 男 , 博士 , 研究方向 : 药用植物分子遗传学 ; E-mail: pengjiaqiong@163.com
千里光（Senecio scandens Buch.-Ham. ex D. Do）
为菊科（Compositae）千里光属多年生草本植物，是
我国传统中药之一，该植物有清热解毒、杀虫、名
目、凉血、驱风除湿、抗菌、抗钩端螺旋体、保肝
等作用［1， 2］。泛素（ubiquitin，Ub）是一种由 76 个
氨基酸残基组成的高度保守的多肽链，分子量约为
8.6 kD，普遍存在于真核生物体内［3］。泛素共价地
结合于底物蛋白质的赖氨酸残基，被泛素标记的蛋
白质将被特异性地识别并迅速降解，泛素的这种标
千里光泛素（Ubiquitin）基因生物信息学与功能分析
蔡振锋 平军娇 张珍 汤贤春 白威峰 钱刚
（遵义医学院 细胞生物学与遗传学教研室，遵义 563099）
摘 要： 为阐明泛素（Ubiquitin）在高等植物中结构与功能的关系，从千里光全长 cDNA文库中分离到泛素基因，采用生物
信息学方法对其进行系统分析。碱基序列和系统进化树结果显示，千里光泛素基因与果子蔓泛素基因的核苷酸序列（GenBank登
录号：GQ890686.1）的同源性最高（87%）；尽管碱基位点出现较大的变异，但高度保守氨基酸序列结果提示，泛素的保守位点对
维持蛋白质结构和功能发挥关键作用；蛋白质的理化性质、三维结构预测与亚细胞定位结果表明，作为辅酶，泛素主要参与高等
植物细胞的信号转导、转录调控和物质转运等功能。
关键词： 千里光 泛素基因 结构预测 序列分析
Functional Analysis of Ubiquitin Gene in Senecio scandens Buch.-Ham.
ex D. Don Based on Its Bioinformatics
Cai Zhenfeng Ping Junjiao Zhang Zhen Tang Xianchun Bai Weifeng Qian Gang
（Department of Cell Biology and Genetics，Zunyi Medical College，Zunyi 563099）
Abstract: In the present study, the relationship of structure and functional role in ubiquitin is explored in Chinese medical plant such as
Senecio scandens Buch.-Ham. ex D. Don, based on full-length cDNA library. Results of sequence analysis and phylogenetic tree of ubiquitin gene
indicate that higher homology of ubiquitin gene is observed among Senecio scandens Buch.-Ham. ex D. Don. Moreover, the highest homology is
detected in Guzmania lingulata（GenBank accession No. GQ890686.1）and Catharanthus roseus, with the nucleotide similarity（87%）and
the amino acid sequence homology（97%）. Those results indicate that the conserved amino acid mutations may play crucial roles in performing
function of ubiquitin protein. Moreover, we also find that ubiquitin is mainly localized in the cytoplasm and mitochondrial matrix space in
high plants. Accordingly, these results possibly suggested that ubiquitin could play an important role in signal transduction, transcription and
transporter in the high plants, associated with its structural and functional predictions.
Key words: Senecio scandens Buch.-Ham. ex D. Don Ubiquitin gene Structure prediction Sequence analysis
记作用是非底物特异性的。近年来的研究表明，高
等植物泛素是一种高度保守的蛋白，其在蛋白质降
解过程中的枢纽作用受到了越来越多的研究者的重
视。迄今为止，昆虫泛素的研究报道较多，但有关
中药材千里光泛素的性质、结构和功能研究相对较
少。本研究通过构建千里光 cDNA 文库，测序获得
EST 序列，运用生物信息学软件分析了千里光泛素
的性质、结构及功能，旨在为深入了解高等植物泛
素结构与功能的关系提供基础资料。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第10期164
1 材料与方法
1.1 材料
参试千里光资源（SC-36）系本研究组采自贵州
省遵义地区野生种。
1.2 方法
1.2.1 千里光 cDNA 文库 按照 RNA 提取试剂盒说
明提取千里光叶片组织的总 RNA，采用 SMART 方
法构建了千里光叶片组织全长 cDNA 文库［4］，随机
选择阳性克隆测序（华大基因科技股份有限公司）。
1.2.2 序列的生物信息学分析 利用 NCBI（http ：//
www.ncbi.nim.nih.gov/）的 BLAST 在线分析工具分别
对 GenBank 的非冗余核酸数据库和非冗余蛋白质数
据库序列进行比对分析 ；采用 NCBI（http ：//www.
ncbi.nim.nih.gov/）的 ORF finder 预测开放阅读框 ；
利 用 ExPASy 的 ProtParam 程 序（http ：//cn.expasy.
org/tools/protparam.html）统计千里光 ubiquitin 基因中
各种氨基酸含量，并预测理论分子量和等电点 ；应
用 ProtScale 程 序（http ：//expasy.org/cgibin/protscale.
pl）进行蛋白质的疏水性分析 ；通过在线工具 GOR4
方法对 ubiquitin 进行二级结构分析 ；蛋白质亚细胞
定位采用在线工具（http：//psort.nibb.ac.jp/form.html）
预测 ；通过 NCBI 数据库 GenBank 分析蛋白质保守
结构域 ；采用 Protfun 在线工具（http ：//www.cbs.dtu.
dk/services/ProtFun/）预测千里光 ubiquitin 的功能分
类 ；采用同源模型服务软件 SWISS-MODEL［5，6］预
测千里光 ubiquitin 的三维结构 ；采用 MEGA4.0 软件
最大简约法进行系统进化树的构建。
2 结果
2.1 Ubiquitin氨基酸的序列分析
通过对文库克隆的随机测序获得千里光
ubiquitin 基因的全长 cDNA 序列，去除载体及冗余
序列后通过 ORF finder 对目的序列进行分析，结果
表明该序列全长 600 bp，包含一个完整的读码框，
编码含 199 个氨基酸残基的蛋白质。由图 1 可以看
出，千里光泛素基因的核苷酸序列与其他生物泛素
相似性在 83% 以上，而与果子蔓泛素的核苷酸序
列（GenBank 登录号 ：GQ890686.1）同源性最高为
87%，而通过氨基酸序列比对发现千里光泛素蛋白
与高等植物泛素蛋白的同源性均在 97% 以上 ；这些
氨基酸的突变位点表现出高度保守性（图 2）。进一
步分析发现，该蛋白是 2 个单体泛素以头尾相连形
式构成的二聚泛素结构（二串子），第 77-152（SC-
36Ub-2）位氨基酸是第 1-76（SC-36Ub-1）位氨基酸
的重复序列。比较（SC-36Ub-1）和（SC-36Ub-2）
的氨基酸序列发现，泛素的氨基酸序列表现出高度
的保守性，仅有 1 个突变位点（V79）。
2.2 Ubiquitin理化性质分析
利 用 ExPASy Protparam 在 线 软 件 对 千 里 光
ubiquitin 所编码的 199 个氨基酸序列进行分析，预
测结果为 ：该泛素蛋白的分子量为 22.40 kD ；理论
等电点 pI 为 6.18 ；原子组成为 C987H1638N274O310S3 ；
负电荷残基（Asp+Glu）30 个，正电荷残基（Arg+Lys）
29 个 ；不稳定系数（Instability index）为 28.91，表
明该蛋白状态稳定 ；疏水性分析结果表明，其疏
水性最大值为 1.133，疏水峰值大于 0 的氨基酸占
31% ；亲水峰最大值为 -1.956，亲水性评估为 -0.478
（图 3），整个蛋白质表现出高度的亲水性。
2.3 二级结构预测
用 GOR4 方法对千里光泛素进行二级结构分析，
结果（图 4）显示，其二级结构中 37.19% 为螺旋结
构（Helices），延伸链（Extended strand）和卷曲结
构（Random coil）分别为18.59%和44.22%。由此表明，
螺旋和无规则卷曲是该蛋白质二级结构的主要组成
部分，延伸链则散布于整个蛋白质中。
2.4 亚细胞定位及其功能预测
使用在线工具 Psort 对千里光泛素亚细胞定位进
行预测，结果（表 1）显示，其主要定位于细胞质、
线粒体矩阵空间。采用 Protfun 在线工具预测千里光
ubiquitin 的功能，其功能分类如表 2 所示，该蛋白
具有信号转导、转录、离子通道、运载体功能的概
率分别为 0.550、0.288、0.271 及 0.229。
表 1 Ubiquitin亚细胞定位预测结果
亚细胞定位 概率
细胞质 0.45
线粒体矩阵空间 0.36
2.5 Ubiquitin保守域预测与高级结构分析
在 NCBI 上利用 BLAST 工具进行保守区分析，
2012年第10期 165蔡振锋等 ：千里光泛素（Ubiquitin）基因的生物信息学与功能分析
发现氨基酸序列中含有保守的 Ubq-E2、Ubq-UCH、
Ubq-CUE 作用位点，如图 5-A 所示。通过 SWISS-
MODEL 软件预测出 ubiquitin 的三维结构（图 5-B）
显示，该蛋白具有2个结构功能域。从三维结构推测，
千里光泛素是两个单体泛素在特殊酶的催化下由一
个泛素 C-末端羧基和另一个泛素的 Lys48 的 ε-NH2 聚
合而成的二聚泛素。
2.6 Ubiquitin系统发育分析
根据 ubiquitin 基因特征序列和保守基序在
GenBank 数据库进行检索，物种间系统进化树分
析（图 6）表明，千里光泛素基因与长春花泛素基
因（GQ165715.1）同处一个分支，亲缘关系最密切，
黑色背景表示同源性为 100%，浅灰色和深灰色背景表示同源性为 0，“.”表示氨基酸缺失。
GQ890686.1 ：果子蔓（Guzmania wittmackii）；AB571099.1 ：松叶菊（Mesembryanthemum）；FJ438462.1 ：毛果杨（Populus trichocarpa）；
L81141.1 ：豌豆（Pisum sativum）；GQ165715.1 ：长春花（Catharanthus roseus）；SC-36 ：千里光（Senecio scandens Buch.-Ham. ex D. Do）；下同。
图 1 核苷酸序列特征及比对结果
黑色背景表示同源性为 100%，浅灰色和深灰色背景表示同源性为 0，“.”表示氨基酸缺失。
图 2 氨基酸序列特征及比对结果
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第10期166
与果子蔓（GQ890686.1）和松叶菊（AB571099.1）
泛素基因表现出较近的亲缘关系，而与毛果杨
（FJ438462.1）及豌豆（L81141.1）的亲缘关系较远。
3 讨论
本研究结果显示，与其他物种比较，千里光泛
素基因的核苷酸序列表现出较大差异（同源性介于
83%-87% 之间），而氨基酸序列表现出高度保守性，
这意味着该基因在物种的遗传进化过程中发挥重要
的作用 ：一方面，核苷酸位点的突变以适应物种种
群进化的遗传要求 ；另一方面，氨基酸序列表现出
高度的保守性，以保证泛素执行重要的生物学功能。
类似的报道也为这一结论提供了佐证，包括德国小
蠊［8］、松褐天牛［9］及桑树［10］等。而且，通过构建
的进化树显示了植物泛素基因之间的进化关系，结
合氨基酸序列比对结果不难看出，尽管泛素蛋白氨
基酸序列的一致性很高，但其亲缘关系的远近仍有
差别。该基因编码 199 个氨基酸残基，接近单体泛
素 2 倍多（单体泛素长度为 76 个氨基酸），进一步
分析表明，该泛素是以头尾相连的两个单体组成二
聚泛素，这一结果与烟草［11］的五聚泛素、桑树［10］
的二聚泛素相似。而两单体泛素的氨基酸序列有一
处不同，即由第 79 位的缬氨酸（V）代替了第 3 位
的异亮氨酸（I），推测可能是植物种属间差异造成的。
氨基酸多序列比对结果发现，千里光泛素蛋白
表 2 Ubiquitin功能预测结果
功能分类 产物 概率
信号转导 0.118 0.550
受体 0.024 0.138
激素 0.001 0.206
结构蛋白 0.002 0.079
运载体 0.025 0.229
离子通道 0.015 0.271
电压门控离子通道 0.005 0.212
阳离子通道 0.010 0.228
转录 0.037 0.288
转录调控 0.028 0.225图 3 蛋白质疏水性分析结果
疏水峰值大于 0，亲水峰值小于 0，横轴表示氨基酸位置。
图 4 Ubiquitin二级结果预测
横轴表示氨基酸位置 ；竖线由长至短分别表示 α-螺旋，延伸链，无规则卷曲
A. BLAST 预测的保守结构域 ；B. SWISS-MODEL 软件预测的千里光泛素蛋白理论三维结构
图 5 Ubiquitin保守域预测（A）与高级结构分析（B）
2012年第10期 167蔡振锋等 ：千里光泛素（Ubiquitin）基因的生物信息学与功能分析
含有保守的 Lys、Gly 功能位点，其中位于 C-末端
的 Gly-Gly 结构不可替代，是泛素维持其生物活性所
必须的。结构域预测结果显示，该蛋白含有 Ubq-E2
（泛素与泛素结合酶）、Ubq-UCH（泛素与泛素羧基
末端水解酶）、Ubq-CUE（泛素与泛素结合结构域）
作用位点，三维结构预测结果表明泛素有 2 个结构
域。泛素通过一系列酶的作用（E1 泛素激活酶、E2
泛素结合酶、E3 泛素连接酶）与靶蛋白赖氨酸的 ε-
氨基连接，使靶蛋白泛素化，泛素化后的靶蛋白在
26S 蛋白酶体的作用下被分解为短肽和氨基酸，同
时泛素被释放出来［12］。因此推测千里光泛素蛋白结
构域上不仅具有 Ubq-E2、Ubq-UCH、Ubq-CUE 结合
位点，还具有 E1 激活酶和 E3 连接酶结合位点，并
且氨基酸突变位点不对泛素的功能结构域产生影响。
大量研究结果表明，泛素除了与靶蛋白共价结
合参与细胞内蛋白的选择性降解外，还参与细胞周
期调控、DNA 修复、信号传导、转录调控、细胞凋
亡以及机体免疫等多种生命活动过程［13］。作为辅酶，
本研究也证实了千里光泛素在信号转导、基因转录
调控及细胞内膜系统的物质转运等方面发挥重要作
用。此外，还发现在千里光泛素蛋白的 C-末端有一
段长 47 个氨基酸残基，推测可能与千里光泛素参与
运载体和阳离子通道的功能密切相关。因此，结合
泛素的亚细胞定位和功能分类预测发现，泛素可能
是通过信号传导和反馈调节参与基因的表达调控。
4 结论
泛素的高级结构与亚细胞功能定位结果证实，
图 6 Ubiquitin基因序列进化树分析
GQ165715.1 ：长春花（Catharanthus roseus）；SC-36 ：千里光（Senecio sca-
ndens Buch.-Ham. ex D. Don）；AB571099.1：松叶菊（Mesembryanthemum）；
GQ890686.1：果子蔓（Guzmania lingulata）；FJ438462.1：毛果杨（Populus
trichocarpa）；XM_003607622.1 ：蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）；L811-
41.1 ：豌豆（Pisum sativum）；AJ844616.1 ：车前草（Triticum urartu）
在高等植物中，泛素主要参与高等植物细胞的信号
转导、转录调控和物质转运。
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（责任编辑 马鑫）