全 文 ：研究报告
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 4期
植物 胡萝卜素羟化酶的生物信息学分析
赵大球 曹春燕 孔芬 周春华 陶俊
(扬州大学园艺与植物保护学院,扬州 225009)
摘 要: 采用生物信息学方法对 GenBank中的拟南芥、玉米、龙胆、福寿草和水仙等植物 -胡萝卜素羟化酶 ( BCH )的
核苷酸和氨基酸序列进行了比对分析,进而对其组成成分、理化性质、信号肽、亚细胞定位、疏水性 /亲水性、跨膜结构域、功能
结构域、基序及蛋白质二级结构等重要参数进行了预测和分析。结果表明, BCH基因全长约为 1 256 bp,具有完整的开放阅读
框, 长约为 943 bp, 编码 313个氨基酸, 分子量为 34. 82 kD, 理论等电点为 9. 18, 含量最丰富的氨基酸都包含 A la ( 10. 34% )、
Leu( 8. 7% )和 G ly( 8. 1% );无信号肽,定位于叶绿体中的亲水性不稳定蛋白, 含有 3- 4个跨膜结构域, 一个功能结构域, 二级
结构均以 螺旋和无规则卷曲为主要构件。
关键词: 植物 胡萝卜素羟化酶 生物信息学
A B ioinformatic Analysis on Betacarotene Hydroxylase in P lant
Zhao Daqiu Cao Chunyan Kong Fen Zhou Chunhua Tao Jun
(College of H orticulture and PlantP rotection, Yangzhou University, Yangzhou 225009)
Abstrac:t The nucleic acid sequence and am ino ac id sequence o f betacarotene hydroxy lase ( BCH ) from A rabidop s is thaliana,
Zea may s, G entiana lutea, Adon is aes tivalis, andNarcissus p seudonarcissus w hich we re reg istered in GenBank, w ere analyzed and pre
d icted by the too ls o f bio inform atics in the fo llow ing aspects, m a inly including the com pos ition o f nuc leic acid sequence and am ino acid
sequence, physical and chem ical cha racte rs, signa l peptide, subcellu la r localization, hydrophobic ity or hydrophilic ity, transm embrane
topo log iea l structure, functiona l dom a ins, m o tifs sea rch, seconda ry struc ture of pro te in. The re sults as fo llow ing, the full leng th of
BCH is about 1 256 bp, con tains a com plete open read ing fram ew ith leng th o f 943 bp, encodes 313am ino ac ids, m o lecu larw e ight
is 34. 82 kD, theoretica l isoe lec tr ic po int is 9. 18; the m ost abundant am ino acids all inc ludeA la( 10. 34% ), Leu( 8. 7% ) and G ly
( 8. 1% ). BCH that does not have signa l peptide, and lo cates ch lo rop last, is a hydroph ilic and instab le prote in, wh ich fea tures three
to four transm embrane topo log iea l struc tures and a functiona l dom a in. A lpha he lix and random co il arem a in com ponents o f a ll second
a ry structures.
Key words: P lant Betacarotene hydroxy lase B io in fo rm ation
收稿日期: 20091205
基金项目:国家自然科学基金 ( 30771491 )
作者简介:赵大球,男,研究生,主要从事园艺植物分子生物学研究; Em ai:l daq iuzh ao@ 126. com
通讯作者:陶俊,男,教授,博士生导师,主要从事园艺植物栽培生理与分子生物学研究; Em a i:l taojun@ yzu. edu. cn
植物类胡萝卜素是镶嵌于叶绿体和有色体膜中
的脂溶性色素,有许多结构和功能 [ 1, 2] , 包括胡萝卜
素 (碳氢化合物 )和叶黄素 (胡萝卜素的氧化衍生
物 )两大类。它们在结构上均是由 8个类异戊二烯
单位浓缩后不断演变而成 [ 3]。在类胡萝卜素的生
物合成中, 存在着众多酶的催化作用 [ 4 ] ,其中 胡
萝卜素羟化酶 ( BCH )是催化玉米黄素合成的关键
酶 [ 5]。目前, 人们已经从甜橙 [ 6]、南丰蜜橘 [ 7]、雨生
红球藻 [ 8]、拟南芥 [ 9, 10]和甜椒 [ 11 ]等植物中分离得到
该基因。
本研究应用生物信息学的方法, 以拟南芥为重
点, 对玉米、龙胆、福寿草、水仙等植物的 胡萝卜
素羟化酶的基因及相应氨基酸序列进行比对分析,
进而对其理化性质、蛋白质功能及二级结构等重要
参数进行预测和分析,以期为今后开展此酶的深入
研究和利用提供一定的理论指导作用。
2010年第 4期 赵大球等:植物 胡萝卜素羟化酶的生物信息学分析
1 材料与方法
1. 1 材料
数据资料来源 NCB I核苷酸及蛋白质数据库中已
注册的植物 胡萝卜素羟化酶的核苷酸及其对应的氨
基酸序列:拟南芥 (登录号: AF125576; AAF85797)、玉
米 (登录号: AY844958; AAX45525)、龙胆 (登录号:
AB027187; BAE92729)、福寿草 (登录号: EF120636;
ABL67481)、水仙 (登录号: AJ278882; CAC06712)。
1. 2 方法
利用生物学软件 DNAMAN 5. 0和互联网上的
在线工具进行分析。用 ProtParam [ 12]分析 BCH基
因编码蛋白的氨基酸序列组成、分子量、等电点等
理化性质; 在 NCB I[ 13 ]上对其保守结构域进行分
析; 信号肽的预测、跨膜结构域、亲水性 /疏水性及
亚细胞 定位 的分 析分 别 在 S igna lP[ 14, 15 ]、TM
HMM
[ 16]、ProtScale[ 17]、PSORT[ 13]上完成; 用 GOR4[ 18]、
PredictProte in
[ 19]预测其二级结构、基序;核苷酸及氨基
酸序列的同源性比对利用 Blast[ 20]完成。
2 结果与分析
2. 1 核苷酸及其对应的氨基酸序列的组成成分和
理化性质分析
用 DNAMAN 5. 0和 Pro tParam对拟南芥、玉米、
龙胆、福寿草、水仙等植物 BCH基因的核苷酸及其
对应的氨基酸序列进行分析,结果 (表 1)显示,植物
BCH基因的全长平均为 1 256 bp, 包括一个完整的
开放阅读框,起始密码子均为 ATG,拟南芥、龙胆和
福寿草的终止密码子为 TGA,玉米为 TAG, 水仙为
TAA。开放阅读框的碱基数及所编码的氨基酸残基
数相差不大,分别为 943 bp和 313,而开放阅读框的
起始位点和终止位点有所差异; 其平均分子量为
34. 82 kD; 理论等电点为 9. 18;酸性氨基酸的比例
为 9. 59% ;碱性氨基酸的比例为 15. 34%; 带电氨基
酸的比例为 21. 33%; 极性氨基酸的比例为 24.
33% ;疏水性氨基酸的比例为 46. 53%; 含量最丰富
的氨基酸都包含 A la( 10. 34% )、Leu ( 8. 7% )和 G ly
( 8. 1% );蛋白质不稳定性指数为 49. 26%, 它们都
属于不稳定类蛋白质。
表 1 植物 BCH基因的核苷酸及推导氨基酸序列的组成成分及理化性质分析
物种 拟南芥 玉米 龙胆 福寿草 水仙 平均值
基因全长 1080 1277 1519 1187 1218 1256
开放阅读框全长 933 960 963 930 927 943
起始位点及密码子 70ATG 176ATG 120ATG 55ATG 128ATG 110
终止位点及密码子 1002TGA 1135TAG 1082TGA 984TGA 1054 TAA 1052
氨基酸残基数 310 319 320 309 308 313
分子量 ( kD) 34. 36 34. 64 35. 55 34. 72 34. 85 34. 82
等电点 9. 10 8. 81 9. 02 9. 15 9. 81 9. 18
S er ( 11. 3 ) A la ( 15. 4 ) Leu ( 9. 4 ) A la ( 10. 4) A la ( 8. 8 ) A la ( 10. 34 )
含量最丰富的 Leu ( 9. 4) Val ( 10. 0 ) S er ( 9. 4) Leu ( 9. 1 ) A rg ( 8. 8) Leu ( 8. 7)
氨基酸 (% ) A la ( 9. 0) A rg ( 8. 2) V al ( 8. 1) G ly ( 8. 1) G ly ( 8. 1 ) G ly ( 8. 1 )
G ly ( 8. 7) G ly ( 7. 8 ) A la ( 8. 1) G lu ( 7. 4) Leu ( 8. 1)
G lu ( 7. 1) Leu ( 7. 5) G ly ( 7. 8) Arg ( 7. 1) Val ( 7. 5 )
酸性氨基酸比例 (% ) 9. 68 9. 40 9. 72 9. 39 9. 74 9. 59
碱性氨基酸比例 (% ) 14. 84 14. 11 15. 31 15. 21 17. 21 15. 34
带电氨基酸比例 (% ) 20. 97 21. 32 20. 94 20. 39 23. 05 21. 33
极性氨基酸比例 (% ) 27. 42 20. 69 26. 56 23. 62 23. 38 24. 33
疏水性氨基酸比例 (% ) 42. 90 51. 72 44. 69 47. 90 45. 45 46. 53
蛋白质不稳定性指数 (% ) 46. 76 59. 45 41. 11 42. 29 56. 67 49. 26
不稳定 不稳定 不稳定 不稳定 不稳定 不稳定
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 4期
2. 2 核苷酸及氨基酸序列比对分析
用 B last程序对拟南芥 BCH基因的核苷酸序列
进行同源性比对,结果表明拟南芥 BCH基因的核苷
酸序列与其它植物的核苷酸序列有较高的同源性,
如与芜菁 (登录号: AY545229)、温州蜜柑 (登录号:
AF315289)、脐橙 (登录号: DQ228870)、番茄 (登录
号: Y14809)、辣椒 (登录号: Y09722)等的同源性分
别为 86%、81%、81%、81%、80%; 用 B lastp程序对
拟南芥 BCH基因的氨基酸序列进行同源性比对,结
果显示拟南芥 BCH 基因的氨基酸序列与其它植物
的氨基酸序列相似性更大, 如与芜菁 (登录号:
AAS55552)、温州蜜柑 (登录号: AAG33636)、脐橙
(登录号: ABB49053)、番茄 (登录号: ABG46368)、
辣椒 (登录号: CAA70888)的一致性分别为 86%、
77%、77%、70%、72% ; 相似性分别为 91%、88%、
88%、81%、83%。对玉米、龙胆、福寿草和水仙 BCH
基因的核苷酸及氨基酸序列进行同源性比对, 同样
得到上述规律,即不同植物氨基酸序列之间的比对
相对于核酸序列之间的比对来说, 有着更高和更广
泛的相似性。
2. 3 信号肽及亚细胞定位的预测和分析
用 S ignalP 3. 0 Server对拟南芥 BCH 基因的氨
基酸序列信号肽进行预测,结果 (图 1)显示,多肽链
第 20号丝氨酸 ( Ser)残基具有最高的原始剪切位点
分值 0. 117,第 1号甲硫氨酸 (M et)残基具有最高的
信号肽分值 0. 333, 第 35号甘氨酸 ( G ly)残基具有
最高的综合剪切位点分值 0. 054。表明拟南芥 BCH
基因不存在信号肽酶切位点, 不具有信号肽。对玉
米、龙胆、福寿草。水仙 BCH氨基酸序列进行预测,
图 1 拟南芥 BCH信号肽预测结果
也得到与拟南芥一致的结果。因此可以推断植物
BCH不存在信号肽酶切位点, 不具有信号肽, 属于
非分泌蛋白。
通过工具 PSORT预测拟南芥 BCH基因的亚细
胞定位,从分析结果可知,其分布在质体中可能性最
大。对玉米、龙胆、福寿草和水仙 BCH基因预测的
结果显示均定位于叶绿体中, 因此可以推断该蛋白
定位于叶绿体中的概率很大。
2. 4 疏水性 /亲水性及跨膜结构域的预测和分析
用 Pro tScale Server对拟南芥 BCH 基因的氨基
酸序列疏水性 /亲水性进行预测, 正值越大表示越疏
水, 负值越大表示越亲水, 而介于 + 0. 5到 - 0. 5之
间的主要为两性氨基酸。结果 (图 2)显示, 多肽链
第 173号组氨酸 (H is)残基, 它们具有最低的分值均
为 - 3. 044,亲水性最强;而第 225号丙氨酸 (A la)残
基具有最高的分值 2. 278, 疏水性最强。亲水氨基
酸分布比较均匀, 且数量大于疏水氨基酸, 对玉米、
龙胆、福寿草和水仙 BCH 基因的氨基酸序列疏水
性 /亲水性预测也得到类似的结果, 因此可推断
BCH是一种可溶性蛋白。
用 TMHMM 2. 0 Server对拟南芥 BCH基因的氨
基酸序列跨膜结构域进行预测,结果 (图 3)显示, 拟
南芥 BCH基因存在 4个跨膜结构域, 分别为 98 -
120、130- 152、186- 203、207- 229位氨基酸之间。
对玉米、龙胆、福寿草和水仙 BCH基因的氨基酸序
列的跨膜结构域进行预测,得到:玉米、福寿草存在
4个跨膜结构域, 而龙胆、水仙只存在 3个。
2. 5 功能结构域及基序的预测和分析
用 NCBI CDD ( conserved doma in database)数据
库分析拟南芥 BCH基因氨基酸序列中可能有的蛋
白功能结构域,分析结果表明该蛋白有 1个典型的
FA _hydroxylase superfam ily (脂肪酸羟化酶超家族 )
保守结构域 (图 4) , 该保守结构分布在第 165- 260
位氨基酸之间,结构域序列号为 cl01132, 拟南芥在
该区域与 pfam04116结构域匹配度 E值为 3e- 07。
该家族包括脂肪酸羟化酶、胡萝卜素羟化酶和甾醇
脱氢酶,参与了胆固醇和植物表皮蜡的生物合成。
用上述方法对玉米、龙胆、福寿草和水仙 BCH的氨
基酸序列进行预测,均包含上述的功能结构域。
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2010年第 4期 赵大球等:植物 胡萝卜素羟化酶的生物信息学分析
图 2 拟南芥 BCH疏水性 /亲水性的预测结果
图 3 拟南芥 BCH跨膜结构域的预测结果
图 4 拟南芥 BCH氨基酸序列功能域分析
蛋白质的磷酸化、酰基化和糖基化是蛋白质生
物合成后活性调解的一种化学修饰, 对蛋白具有重
要的生物学意义。用 Pred ictProte in对拟南芥 BCH
编码蛋白的基序分析, 发现其含有 1个糖胺附着位
点 ( 302) ; 3个 cAMP和 cGMP依赖性的蛋白激酶磷
酸化位点 ( 43, 90, 299) ; 6个蛋白激酶 C磷酸化位点
( 10, 39, 93, 261, 292, 297); 3个酪蛋白激酶 II磷酸
化位点 ( 21, 58, 131 ); 1个酪氨酸激酶磷酸化位点
( 90) ; 7个 N豆蔻酰化位点 ( 4, 127, 144, 206, 214,
266, 303)。用上述方法对玉米、龙胆、福寿草、水仙
BCH的氨基酸序列进行分析,结果 (表 2)显示, BCH
基因的基序在物种之间存在一定的差异。
表 2 植物 BCH基因氨基酸序列基序的分析
拟南芥 玉米 龙胆 福寿草 水仙
糖胺附着位点 1 0 0 0 0
cAMP和 cGMP依赖性的
蛋白激酶磷酸化位点 3 1 1 1 2
蛋白激酶 C磷酸化位点 6 3 5 4 3
酪蛋白激酶 II磷酸化位点 3 1 1 0 1
酪氨酸激酶磷酸化位点 1 1 1 1 1
N-豆蔻酰化位点 7 4 4 5 4
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 4期
2. 6 二级结构的预测和分析
用 GOR4方法对拟南芥 BCH基因氨基酸序列
的二级结构进行预测,结果 (图 5)在拟南芥 BCH基
因的氨基酸序列中,共有 螺旋 129处, 占总二级
结构的 41. 61% ; 共有延伸链 25处, 占总二级结构
的 8. 06% ; 共有无规则卷曲 156处, 占总二级结构
的 50. 32%。而将 5种植物的二级结构相比较 (表
3) ,可以发现植物之间 螺旋、延伸链、无规则卷曲
等二级结构元件的数量、比例差异不大, 并且均是
螺旋 > 无规则卷曲 >延伸链。因此可推测 螺
旋是植物 BCH基因蛋白最大量的结构元件, 而无
规则卷曲和延伸链则散布于整个蛋白质中, 同时该
蛋白在不同植物的空间结构上发生了一定的变异。
表 3 植物 BCH基因蛋白二级结构的分析
物种 拟南芥 玉米 龙胆 福寿草 水仙
螺旋
(% )
129
(41. 61)
139
( 43. 57)
141
( 44. 06)
165
( 53. 40)
139
( 45. 13)
延伸链
(% )
25
(8. 06)
35
( 10. 97)
40
( 12. 50)
22
( 7. 12)
32
( 10. 39)
无规则卷曲
(% )
156
(50. 32)
145
( 45. 45)
139
( 43. 44)
122
( 39. 48)
137
( 44. 48)
图 5 拟南芥 BCH二级结构的预测结果
3 结论与讨论
本研究应用生物信息学的方法对植物 BCH基
因进行预测和分析,表明植物 BCH基因全长约为 1
256 bp,具有完整的开放阅读框, 长约为 943 bp,编
码 313个氨基酸, 分子量为 34. 82 kD, 理论等电点
为 9. 18;酸性氨基酸、碱性氨基酸、带电氨基酸、极
性氨基酸和疏水性氨基酸的比例分别为 9. 59%、
15. 34%、21. 33%、24. 33%和 46. 53%; 含量最丰富
的氨基酸都包含 A la( 10. 34% )、Leu( 8. 7% )和 G ly
( 8. 1% ); BCH蛋白为亲水性不稳定蛋白; 无信号
肽,存在 3- 4个跨膜结构域,定位于叶绿体中, 含有
一个典型的 FA _hydroxy lase superfam ily(脂肪酸羟化
酶超家族 )保守结构域;均含有 cAMP和 cGMP依赖
性的蛋白激酶磷酸化位点, 蛋白激酶 C磷酸化位
点,酪氨酸激酶磷酸化位点, N豆蔻酰化位点; 二级
结构均以 螺旋和无规则卷曲为主要构件。
本研究在引用生物信息学数据库时均选择了前
人应用较为广泛的数据库, 以期能尽量提高预测的
准确率。在数据的分析过程中发现, 该基因部分信
息在物种间差异较大, 如开放阅读框的起始位点和
终止位点、终止密码子的序列、跨膜结构域的数量、
氨基酸序列的基序及二级结构元件的数量等, 这可
能与 BCH基因在不同物种上的进化程度有关,具体
原因还需要依靠分子生物学试验进行进一步验证。
上述这些生物信息学的研究为今后开展此酶的深入
研究和利用提供一定的理论参考。
参 考 文 献
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