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生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 12期
生物信息学对番茄 L eNHX1基因的研究
范晶　代娟　胡建平　梁梓　黄明远
(乐山师范学院化学与生命科学学院 ,乐山 614004)
　　摘 　要 : 　应用生物信息学的方法和工具对番茄 LeNHX1蛋白质的理化性质、跨膜区域、疏水性 /亲水性、二级结构、结构
功能域、功能分类和同源性进行分析。结果表明此蛋白为疏水性稳定蛋白 ,包含一个保守的氨氯吡嗪咪结合位点 LFF IYVLPP I
区域 ,相对分子量为 59. 0 kD,等电点为 6. 60,存在 10个跨膜区域 ,蛋白质二级结构中的主要构成元件是α2螺旋和不规则卷
曲 ,功能分类和蛋白质同源性分析表明番茄 LeNHX1属于液泡膜 Na + /H +反向转运蛋白。
关键词 : 　生物信息学 番茄 　LeNHX1基因 Na + /H +反转运蛋白
Bioinformatics Research on the Tomato L eNHX1 Gene
Fan J ing Dai Juan Hu J ianp ing L iang Zi Huang M ingyuan
( College of Chem istry and L ife Science, Leshan N orm al University, Leshan 614004)
　　Abs trac t: 　The physical and chem ical p roperties, transmembrane region, hydrophobicity/hydrop2H ilicity, secondary structure, func2
tional domain, functional category and sequence alignments of LeNHX1 p rotein, were analyzed by using bioinformatics methods. Results
showed LeNHX1 was hydrophobic and stable p rotein containing a am iloride binding domain (LFF IYVLPP I) , the calculated molecular
mass was 59. 0 kD, theoretical isoelectric point was 6. 60, there may be 10 transmembrane regions, the main components in the p rotein
secondary structure wereα2helix and Random coil, functional category and am ino acid sequence alignments suggested tomato L eNHX1
gene belonged to vacuole membrane Na + /H + antiporter.
Key wo rds: 　B ioinformatics Tomato LeNHX1 gene Na + /H + antiporter
收稿日期 : 2009208206
基金项目 :四川省教育厅基金项目 (08Zb051) ,乐山师范学院科研项目 ( Z0858) ,峨眉山生物多样性保护与利用研究所科研项目 (08S04)
作者简介 :范晶 (19772) ,男 ,江西丰城人 ,博士 ,讲师 ,从事植物分子生物学研究 ; E2mail: fanjing972001@ sohu. com
　　土壤中过高盐离子浓度对于大多数植物而言都
是有害的 ,表现为影响作物的生长发育并降低其产
量 ,严重时作物产量可降低近 50% [ 1 ]。现有研究表
明转单一的 Na+ /H +反转运蛋白 NHX基因可提高植
物的耐盐能力 [ 2, 3 ] ,该类基因可以把细胞质中过多的
Na+运输到细胞外部或区隔化到细胞内部的液泡中 ,
进而把 Na+和细胞质中的酶隔离开来 ,达到保护细胞
的目的 [ 4 ]。目前 ,许多生物的 Na+ /H +反向转运蛋白
NHX基因已经被克隆出来 [ 5, 6 ]。番茄是我国种植范
围最广、栽培面积最大的蔬菜之一 ,也是用于基因功
能研究的模式植物之一 ,但是到目前为止 ,关于番茄
LeNHX1基因的生物学功能研究还未见报道。本研究
应用生物信息学的方法和工具对番茄 LeNHX1基因
编码蛋白进行理化性质、跨膜区域、疏水性 /亲水性、
二级结构、结构功能域、功能分类和同源性分析 ,以期
为该基因的深入研究提供参考和理论依据。
1　材料与方法
1. 1　材料
联有 Internet的 PC机 (装有 W indows XP操作系
统 ) ;数据资料来源于 NCB I中已注册 NHX的核酸及
其氨基酸序列 , 包括番茄 LeNHX1 (L ycopersicon escu2
len tum ,登录号 : AJ306630)、拟南芥 A tNHX1 (A rabidop2
sis thaliana,登录号 : NM_122597)、拟南芥 A tSOS1 (A r2
abidopsis thaliana,登录号 : AF256224)、马蔺 Il NHX2
( Iris lactea,登录号 : AY730277)、水稻 O sNHX1 (O ryza
sa tiva, 登录号 : AB021878)、水稻 O sSOS1 (O ryza sa ti2
va, 登录号 : AY785147)、小麦 TaNHX1 ( Triticum aesti2
vum , 登录号 : AY461512)和番杏 TtNHX1 ( Tetragonia
tetragonioides, 登录号 : AF527625)。
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 12期
1. 2　方法
L eN HX1基因编码蛋白的理化性质采用 Prot2
Param预测 ;跨膜区域使用 TMHMM进行预测 ;疏水
性 /亲水性采用 ProtScale进行预测 ;二级结构采用
SOPMA进行分析 ;结构功能域采用 SMART预测 ;功
能分类采用 ProtFun进行预测 ;多序列比对及同源
性分析采用 PC机本地安装的 DNAMAN软件进行 ,
各分析软件的网站见表 1。
表 1　用于生物信息学研究的数据库和软件网址
软件 网址
ProtParam http: / / au. expasy. org/ tools/p rotparam. htm l
TMHMM http: / /www. cbs. dtu. dk / services/TMHMM /
ProtScale http: / /www. expasy. org/cgi2bin /p rotscale. p l
SOPMA
http: / /npsa2pbil. ibcp. fr/ cgi2bin /npsa_automat. p l? page =
/NPSA /np sa_sopma. htm l
SMART http: / / smart. embl2heidelberg. de /
ProtFun http: / /www. cbs. dtu. dk / services/ProtFun /
2　结果和分析
2. 1　LeNHX1蛋白的理化性质
网上注册的 L eN HX1基因 mRNA 长 2 122 bp,
包括 1 605 bp 的开放读码框 ( open reading frame,
ORF) ,编码 1个含 534个氨基酸的多肽。采用 Prot2
Param软件进行 LeNHX1蛋白的理化性质分析 ,推
测该蛋白的分子式为 C2727 H4256 N678 O743 S19 ,相对分子
量为 59. 0 kD,等电点为 6. 60,不稳定参数为 31. 69,
根据不稳定参数的数值在 40以下才是稳定蛋白的
标准 [ 7 ] ,可推定 LeNHX1为稳定蛋白。该基因编码
的氨基酸组成如图 1所示 ,含量较多的氨基酸有
Leu、Ser、Phe和 Gly等 ,相对含量较少的氨基酸有
Cys和 Trp等 ,带负电荷的残基 (A sp + Glu)总数为
43个 ,带正电荷的残基 (A rg + Lys)总数为 41个。
疏水性平均系数为 0. 506,预测该蛋白为疏水性
蛋白。
1. A la; 2. A rg; 3. A sn; 4. A sp; 5. Cys; 6. Gln; 7. Glu; 8. Gly; 9. H is; 10. Ile; 11. Leu;
12. Lys; 13. Met; 14. Phe; 15. Pro; 16. Ser; 17. Thr; 18. Trp; 19. Tyr; 20. Val
图 1　番茄 L eN H X1基因编码氨基酸组成
2. 2　L eN HX1基因跨膜区域分析
蛋白的跨膜结构域主要是膜的内在蛋白和细
胞膜的膜脂相结合的部位 ,一般由以 α螺旋形式
存在的 20个左右疏水氨基酸残基构成 [ 8 ] 。利用
TMHMM在线软件对 LeNHX1蛋白进行跨膜结构
分析 ,结果表明 LeNHX1蛋白具有 10个跨膜结构
域 ,分别位于第 20 ～42, 47 ～69, 79 ～98, 105 ～
127, 217 ～239, 260 ～284, 299 ～321, 341 ～363,
383～402, 415～437氨基酸残基之间 (图 22A ) ,根
据每个跨膜结构的相对位置绘制出其结构示意图
(图 22B )。 (A. 字母 A、E、I、M、Q、U位置处氨基酸残基位于膜外 ; B、D、F、H、J、L、N、P、R、T位置处氨基酸残基位于跨膜部分 ; C、G、K、O、S位置处氨基酸残基位于膜内 ; B. 黑框表示各个跨膜结构区域 )图 2 L eNH X1基因编码蛋白跨膜结构分析
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2009年第 12期 范晶等 :生物信息学对番茄 L eN HX1基因的研究
2. 3　疏水性 /亲水性预测和分析
疏水和亲水性分析对于预测蛋白质的二级结构
和功能域具有重要的生物学意义 ,采用 ProtScale软
件进行疏水性 /亲水性预测。结果表明多肽链第
503位氨基酸最低分值为 - 2. 667,多肽链第 34位
氨基酸最高分值为 3. 022,依据氨基酸分值越低亲
水性越强的规律 ,可推测 LeNHX1属于疏水性蛋白 ,
从整体来看 ,疏水性氨基酸均匀分布在整个肽链中
且多于亲水性氨基酸 (图 3)。
图 3　番茄 L eNHX1蛋白疏水 /亲水性预测结果
2. 4　二级结构预测与分析
二级结构主要指多肽链依赖氢键排列成在一维
方向上具有周期性结构的构象 ,对其进行预测与分
析有助于认识蛋白的空间结构 ,采用 SOPMA预测番
茄 LeNHX1蛋白的二级结构 ,结果表明番茄 LeNHX1
蛋白是由 50. 94%α2螺旋 ( alpha helix) , 15136%延伸
链 ( extended strand ) , 3. 93%β2转角 ( beta turn ) ,
29178%无规则卷曲 ( random coil)组成 ,α2螺旋和无
规则卷曲是主要的构成元件 ,β2转角和延伸链则散
布于整个蛋白质中 (图 4)。
2. 5　番茄 LeNHX1蛋白质结构功能域的预测及功
能分类
结构功能域是蛋白质亚基结构中介于二级与
三级结构之间的一种独立结构和功能单位。用
SMART预测番茄 LeNHX1 的结构功能域 ,发现
LeNHX1氨基酸在 24～443区域含有一个 Na+ /
H +交换结构域 (图 5) ,该区域主要功能就是将细
胞质中的 Na+逆浓度梯度运输到液泡或细胞外 ,以
维持细胞质中 K+ /Na+的比例 ,减少高浓度的 Na+对
细胞造成伤害。LeNHX1 蛋白的功能分类采用
ProtFun进行分析 ,表 2结果显示该蛋白不具备酶
活性 ,基因功能分类 ( functional category)显示其可
能是转运结合体 ( transport and binding, 箭头所
示 ) ,基因本体分类 ( gene ontology category)进一步
预测该基因编码蛋白是转运蛋白 ( transporter,箭头
所示 )。
2. 6　多序列比对及其同源性分析
采用 DNAMAN软件将番茄 LeNHX1氨基酸序
列与拟南芥 A tNHX1、拟南芥 A tSOS1、马蔺 IlNHX2、
水稻 O sNHX1、水稻 O sSOS1、小麦 TaNHX1和番杏
TtNHX1的氨基酸序列进行比对 ,选择完全比对
( full alignment) 模式 ,结果发现 LeNHX1与马蔺 Il
NHX2、拟南芥 A tNHX1、水稻 O sNHX1、小麦 TaN2
HX1和番杏 TtNHX1等液泡膜 Na+ /H +反转运蛋
白具有较高的同源性 ,同源性分别为 69. 65% , 65.
25% , 67. 35% , 62. 59%和 68. 23% , 与拟南芥 A t2
SOS1和水稻 O sSOS1质膜型 Na+ /H +反转运蛋白
同源性较低 ,同源性分别为 10. 51%和 9. 01% ,说
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明番茄 LeNHX1属于液泡膜 Na+ /H +反转运蛋白。
不同来源的植物液泡膜 Na+ /H +反转运蛋白的氨
基酸序列进行同源性比对的结果显示番茄 LeN2
HX1具有一个保守的 LFF IYVLPP I结构域 (图 6方
框内序列 ) ,该结构域被鉴定为“氨氯吡嗪咪 ”的结
合位点。
表 2 番茄 L eNHX1蛋白功能分类预测结果
分类 可能性 评分
功能分类
氨基酸合成 0. 45 2. 058
生物合成的辅助分子 0. 091 1. 263
细胞膜 0. 029 0. 483
细胞进程 0. 027 0. 373
中间代谢 0. 047 0. 752
能量代谢 0. 076 0. 841
脂肪酸代谢 0. 028 2. 182
嘌呤和嘧啶 0. 224 0. 920
调节功能 0. 013 0. 079
复制和转录 0. 019 0. 073
翻译 0. 054 1. 221
转运和结合 → 0. 806 1. 967
酶分类
酶 0. 226 0. 788
非酶 → 0. 774 1. 085
基因本体分类
信号转导 0. 167 0. 778
受体 0. 088 0. 519
激素 0. 001 0. 206
结构蛋白 0. 003 0. 113
转运 → 0. 488 4. 473
离子通道 0. 096 1. 693
电压依赖性离子通道 0. 126 5. 737
阳离子通道 0. 091 1. 976
转录 0. 027 0. 211
转录调控 0. 023 0. 181
胁迫响应 0. 013 0. 150
免疫应答 0. 060 0. 711
生长因子 0. 005 0. 373
金属离子转运 0. 065 0. 142
3　讨论
生物信息学技术是分子生物学和计算机信息
学的有机结合体 ,目前已成为 21世纪生物学的核
心领域之一 ,它利用网络中核酸和蛋白质数据库
的数据信息 ,对蛋白质的结构和功能进行预测。
伴随着多种生物基因组测序计划的实施和分子结
构测定技术的突破 ,利用生物信息学对基因编码
蛋白进行物理特性、序列结构和功能进行预测的
确信度越来越高。本研究应用了生物信息学的方
法和工具对 L eN HX1基因编码蛋白的理化性质、跨
膜区域、疏水性 /亲水性、二级结构、结构功能域、
蛋白质的功能分类和同源性进行分析 ,发现 LeN2
HX1蛋白为含 10个跨膜区域的疏水性蛋白 ,α2螺
旋和无规则卷曲是其主要构成元件 ,这与大多数
Na + /H +反向转运蛋白的特征一致 [ 9 ] 。细胞质中
过量的 Na+离子浓度将对细胞质中的酶及膜系统
造成损伤 ,植物可通过液泡膜 Na + /H +反转运蛋白
将细胞质中的 Na+离子运输到液泡中 ,也可通过
质膜 Na+ /H +反转运蛋白将细胞质中 Na+离子外
排至细胞外 ,从而达到降低细胞质中 Na+离子的
浓度得目的 ,多序列同源性比对分析发现番茄
LeNHX1属于液泡膜 Na+ /H +反向转运蛋白。另
外 ,真核生物 Na+ /H +反转运蛋白 NHX往往含有
一个可结合氨氯砒嗪脒的保守结构区域 ,氨氯砒
嗪脒可和 Na +离子竞争性地结合到 Na+ /H +反转
运蛋白上 ,哺乳动物 Na + /H +反转运蛋白的氨氯吡
嗪咪结合位点为 DVFFLFLLPP I。而大多数植物
Na + /H +反转运蛋白 N HX 基因的氨氯吡嗪咪结合
位点为 LFF IYLLPP I,在本研究中 , LeNHX1蛋白的
氨氯吡嗪咪结合位点为 LFF IYVLPP I,这表明该类
基因在进化上存在多样性 [ 10, 11 ] 。功能域预测和功
能分类结果表明该蛋白是含有 Na+ /H +交换结构
域的转运蛋白。上述所有结果表明番茄 L eN HX1
基因可能是一个与耐盐相关的基因 ,对于增强农
作物的抗盐能力可能具有一定的应用价值 ,今后
的重点应该通过转基因植物试验来进一步确证其
生物学功能。
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深黑色字母表示高度一致序列 ,灰色字母表示相似部分序列 ,方框
内序列为植物 Na + /H +反转运蛋白的“氨氯吡嗪咪”结合位点
图 6　番茄 L eNHX1与其他植物液泡膜 Na + /H +反向转运蛋白氨基酸序列比较
参 考 文 献
1　 Ouyang B, Yang T, L i H, et al. Journal of Experimental Botany,
2007, 58: 507～520.
2　 L iWH, Zhang Q, Kong XQ, et al. Journal of PlantB iology, 2009, 52:
147～153.
3　 Chen H, An R, Tang JH, et al. Mol B reed, 2007, 19: 215～225.
4　 Wei HQ, Xiang YZ, Wei L i, et al. Plant Cell Rep, 2007, 26: 1663～
1672. 　
5　 Fukuda A, Nakamura A, Tanaka Y. B iochim B iophys Acta, 1999,
1446: 149～155.
6　 Takahashia RC, L iu SK, Takanoa TS. Journal of Plant Physiology,
2009, 166 (3) : 301～309.
7　 张雨良 ,张智俊 ,杨峰山 ,等. 中国生物工程杂志 , 2009, 29 ( 1) :
27～33.
8　李嵘 ,王苗之. 广西植物 , 2006, 26 (5) : 464～473.
9　张耿 ,王赞 ,关宁 ,等. 遗传 , 2007, 29 (10) : 1263～1270.
10 于学宁 ,刘欣玲 ,董秀春 ,等. 分子植物育种 , 2007, 5 ( 6 ) : 775～
784. 　
11 吕慧颖 ,李银心 ,陈华. 高技术通讯 , 2004, 11: 26～31.
19
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