全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA 45(2): 139 ̄150(2015)
收稿日期: 2014 ̄04 ̄25ꎻ 修回日期: 2014 ̄12 ̄27
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 31260261ꎻ 31360021)ꎻ广西自然科学基金资助项目( 20130231)ꎻ广西教育厅基金资助项目
(20130300)
通讯作者: 姜 伟ꎬ副教授ꎬ主要从事微生物与植物相互作用分子机理及致病机制的研究ꎻ Tel: 18607813313ꎬ E ̄mail: weijiang@gxuedu.cn
第一作者: 潘俊霞ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事微生物与植物相互作用方向研究ꎻ E ̄mail: gxupjx@yeah.netꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.02.004
野油菜黄单胞菌 Xcc 8004双组分
信号转导系统基因及其蛋白架构分析
潘俊霞1ꎬ 付 珊1ꎬ 姚任之1ꎬ 唐学慧1ꎬ 何勇强1ꎬ2ꎬ 姜 伟1ꎬ 2∗
( 1广西大学生命科学与技术学院ꎬ南宁 530004ꎻ 2 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室ꎬ南宁 530004)
摘要:Xanthomonas campestris pv. campestris(Xcc 8004)是一个拥有复杂代谢循环的革兰氏阴性植物病原菌ꎬ它能侵染几乎
所有的十字花科植物引起黑腐病ꎮ 基因注释表明ꎬ该基因组存在大量编码双组分信号转导系统的基因ꎬ本研究利用生物信
息学方法鉴定编码双组分信号转导系统感受蛋白和响应调控蛋白基因ꎬ结果表明ꎬXcc 8004共有 111个双组分信号转导系
统基因ꎬ55个感受基因中的 30个与响应调控基因成对存在ꎬ很有可能组成一个双组分信号转导系统ꎬ25 个感受基因和 26
个响应调控基因独立存在于基因组中ꎮ 另外ꎬ还发现 3个 HKs和 2个 RRs未被注释ꎮ 本文拟通过分析双组分信号转导系
统基因及其编码蛋白的功能域架构ꎬ为 Xcc 8004双组分调控系统的功能研究和防治病害提供参考ꎮ
关键词:十字花科黑腐病菌ꎻ 生物信息学ꎻ 双组分信号转导系统ꎻ 功能域架构
In silico analysis of two component system genes and its protein domain arrange ̄
ment in Xanthomonas campestris pv. campestris 8004 PAN Jun ̄xia1ꎬ FU Shan1ꎬ YAO
Ren ̄zhi1ꎬ TANG Xue ̄hui1ꎬ HE Yong ̄qiang1ꎬ2ꎬ JIANG Wei1ꎬ2 ( 1 College of Life Science and Technologyꎬ Guangxi
Universityꎬ Nanning 530004ꎬ Chinaꎻ2 State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro ̄biosciencesꎬ
Nanning 530004ꎬ China)
Abstract: Xanthomonas campestris pv. campestris 8004 (Xcc 8004) is a Gram ̄negative bacterium that under ̄
goes a complex developmental life cycle. It is the causal agent of black rot disease of cruciferous plants. The ge ̄
nome annotation has demonstrated the presence of a significant number of these being putative two ̄component
signal transduction system (TCS) protein. This study used bioinformatics methods to identify sensor kinase and
response regulator genes. The analysis revealed the presence of 111 TCS genesꎬ in which 30 of 55 sensor kinase
genes lay adjacent to genes encoding response regulators. It strongly suggested that these paired genes encode
putative TCSs. There were 25 orphan sensor kinase and 26 response regulator genes encoded in the genome. In
addition we found 3 HKs and 2 RRs which were not annotated before. This article attempts to infer useful
information for functional two ̄component regulatory system of Xcc 8004 and disease prevention and control.
Key words: Xanthomonas campestris pv. campestrisꎻ bioinformaticsꎻ two ̄component signal transduction
systemꎻ domain arrangement
中图分类号: Q93ꎻ S432.42 文献标识码: A 文章编号: 0412 ̄0914(2015)02 ̄0139 ̄12
双组分信号转导系统(Two ̄component signal
transduction systemsꎬ简称 TCSs)是微生物感受外
界信号的最重要的信号转导系统[1]ꎮ 典型的 TCSs
由一个具有跨膜结构的组氨酸激酶蛋白(histidine
植物病理学报 45卷
kinaseꎬ 简称 HK)和一个胞内响应调控蛋白( re ̄
sponse regulatorꎬ 简称 RR)组成ꎮ HKs经常以双体
形式存在ꎬ每个 HK的膜外感应功能域感受不同外
部环境因子的刺激ꎬ通过与之相连的 ATPase 功能
域利用 ATP 自磷酸化胞内 HisKA 功能域保守的
组氨酸残基ꎬ随后将磷酸基团转移到胞内相对应的
响应调控蛋白接收功能域的天冬氨酸残基ꎬ从而改
变响应调控蛋白输出功能域活性ꎬ最后激活下游靶
标基因的转录[2ꎬ3]ꎮ 不同的响应调控蛋白含有不
同类型的调控功能域[4]ꎬ大多数调控功能域属于
HTH (helix ̄turn ̄helix) DNA 结合功能域(例如ꎬ
OmpR、NarL和 NtrC家族)ꎬ其他类型的调节功能域
包括拥有酶功能的功能域(例如ꎬCheB ̄like 甲基化
酶) [4]ꎬ磷酸化的接收功能域通过改变调控功能域的
活性ꎬ继而通过结合目标基因的启动子区调控转录
以及影响不同的细胞进程ꎮ 例如ꎬ生物膜的形成、蛋
白质降解、调节渗透压、对抗生素产生抗性等[5]ꎮ
随着越来越多微生物基因组序列的公布ꎬ更多
的编码双组分信号转导系统的基因被注释ꎬ然而在
不同微生物中编码双组分信号转导系统的基因的数
目存在很大差异ꎬ且所占比例也很少ꎬHKs一般占全
基因组的 0.26%~0.65%[1]ꎮ 一般来说ꎬ相比较专性
致病菌ꎬ条件致病菌编码更多的信号系统[6]ꎮ 在已
测序植物病原细菌中ꎬXylella fastidiosa 编码的双组
分信号转导系统最少ꎬ而 Pseudomonas syringae 则
拥有最多数目的双组分信号转导系统基因[7]ꎮ
十字花科黑腐病菌(Xanthomonas campestris
pv. campestrisꎬ简称 Xcc)是引起十字花科植物(包
括许多重要的经济作物ꎬ如油菜、大白菜、甘蓝等)
黑腐病的病原菌[8]ꎬXcc对十字花科植物的病理系
统(pathosystem)是研究微生物与植物相互作用机
理的重要模型系统之一[9]ꎮ Xcc 是一个高 G+C 含
量的革兰氏阴性菌ꎬ在整个侵染循环( infection cy ̄
cle)中要经历腐生、附生、内生和寄生阶段ꎬ环境变
化很大ꎬ要耐受饥饿、感应菌体密度、侵染寄主、逃
避寄主免疫系统攻击等ꎮ 每个阶段都要有精确的
信号回应与传导ꎬ以调控相应基因的表达ꎮ
由于微生物信号转导蛋白一般包括几个互不
相关的功能域ꎬ基因组注释常常会因为整个编码区
相似度不高而导致注释不准确ꎬ因而ꎬ利用信号转
导蛋白不同功能域与公共数据库比较是序列分析
的第一步ꎬ同时这也易于全面了解某个基因组中某
一类型蛋白进而了解其潜在功能ꎮ 本研究利用生
物信息学手段ꎬ通过 RPS BLAST( reversed position
specific BLAST)结合 SMART 功能域预测网站预
测 Xcc 8004共编码 111个双组分信号转导系统基
因ꎬ其中 30 个 HKs 和 RRs 可能组成 TCSsꎬ51 个
HKs和 RRs 为“孤儿”TCSs 基因ꎬ其中 HKs 占总
基因的 1.28%ꎬ与 Pseudomonas syringae相当ꎬ是自
养非植物病原菌的 2 倍ꎬ推测 Xcc 8004 能感受相
当复杂的环境信号改变ꎮ 全面分析 Xcc 8004 编码
双组分信号转导系统的基因及其编码蛋白的功能
域架构ꎬ可为下一步全基因组大规模鉴定致病相关
的 TCSsꎬ为病原微生物双组分调控系统的功能研
究和防治病害提供基础ꎮ
1 材料与方法
1.1 数据来源
Xcc 8004蛋白质序列由 NCBI 基因组搜索得
到[10]ꎮ 基因组搜索网址: http: / / www. ncbi. nlm.
nih.gov / genomeꎮ 基因组查询号:Xcc 8004 为 NC_
007086ꎮ
1.2 鉴定 Xcc 8004 TCS蛋白
采用功能域分析的方法鉴定 HKs 和 RRs[11]ꎮ
利用 6个不同的组氨酸激酶家族(HisKA、HisKA_
2、HisKA_3、HWE_HK、His _ kinase 和 H ̄kinase _
dim)ꎬ其在 Pfam 中的 ID 号分别为 PF00512、
PF07568、 PF07730、 PF07536、 PF06580 和
PF02895[12]ꎬ识别 Xcc 8004 全基因组编码蛋白存
在的 HKsꎮ PF00072则用来识别 RRs的 REC功能
域ꎮ 杂合 HKs(REC ̄HKs)代表在一个蛋白中同时
具有 REC功能域和组氨酸激酶功能域ꎮ 利用 RPS
BLAST程序对比 CDD(conserved domain databas ̄
es)数据库鉴定 HKs和 RRs包含的功能域[13]ꎮ
1.3 蛋白质结构域和二级结构的预测
使用 SMART ( simple modular architecture re ̄
search toolꎬ 结构功能域分析简单模块构架搜索工
具ꎬhttp: / / smart. embl ̄heidelberg. de / )网站提供的
服务进行功能域搜索[14]ꎮ 使用 SMARTꎬ分析
Pfam 搜索得到的 TCSs蛋白ꎬ得到 SMART收录的
蛋白功能域信息ꎬ用于功能域架构分析ꎮ 蛋白质二
级结构预测使用 SOPMA(http: / / npsa ̄pbil.ibcp.fr /
041
2期 潘俊霞ꎬ等:野油菜黄单胞菌 Xcc 8004双组分信号转导系统基因及其蛋白架构分析
cgi ̄bin / npsa_automat.pl? page = / NPSA / npsa_sop ̄
ma.html) [15]ꎮ
1.4 Orphan HKs对应的 RRs的预测
利用 SwissRegulon 网站( http: / / www. swiss ̄
regulon.unibas.ch / cgi ̄bin / TCS.pl)对所有的 orphan
HKs对应的 RRs进行预测及分析[16]ꎮ
2 结果与分析
2.1 鉴定 Xcc 8004中的 HKs和 RRs
不同类型的组氨酸激酶(表 1、表 2)ꎮ 组氨酸
Table 1 Putative TCS gene clusters in the genomes of Xanthomonas campestris pv. campestris 8004
Synonym Strand HK domain arrangementa
RR domain
arrangement
Organizationb
HK
type
RR typec
XC0113 / 0114 + 4TM ̄HisKA_3 ̄HATPase_C REC ̄HTH_LUXR HR III NarL
XC0197 / 0198 + PAS ̄HisKA ̄ HATPase_C REC ̄AAA ̄HTH_3 HR ID NtrCꎬPrrA
XC0495 / 0496  ̄ S ̄TM ̄ HisKA ̄ HATPase_C REC ̄GGDEF ̄EAL HR IA EAL
XC0647 / 0648 + 4TM ̄His_kinase ̄HATPase_C REC ̄LytTR HR VI LytTR
XC0728 / 0729 + 2TM ̄CHASE3 ̄PAS ̄PAC ̄HisKA ̄ HATPase_C REC ̄ HR IB Stand alone
XC0769 / 0770  ̄ TM ̄HAMP ̄ HisKA ̄ HATPase_C REC ̄Trans_reg_C HR IB OmpR
XC0812 / 0813 + 2CSK_N ̄HAMP ̄HisKA ̄ HATPase_C REC ̄Trans_reg_C RH IC OmpR
XC0816 / 0818  ̄ TM ̄PAS ̄ HisKA ̄ HATPase_C ̄REC REC ̄HTH_LUXR RH IB NarL
XC1049 / 1050 + HAMP ̄ HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C RH IC OmpR
XC1061 / 1062  ̄ 5TM ̄PAS ̄ HisKA ̄HATPase_C REC ̄AAA ̄HTH_8 RH ID NtrCꎬPrrA
XC1149 / 1150 + PAS ̄HWE_HK ̄HATPase_C REC ̄ HR II Stand ̄alone
XC1419 / 1421 + TM ̄HAMP ̄ HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C RH IC NtrC
XC1938 / 1939  ̄ S ̄2RPT ̄Y_Y_Y ̄HisKA_3 ̄HATPase_C REC ̄HTH_LUXR RH III NarL
XC1965 / 1966  ̄ 2GAF ̄2PAS ̄2PAC ̄ HisKA ̄ HATPase_C ̄REC REC ̄ HR IA Stand ̄alone
XC2227 / 2228 + TM ̄2PAS ̄2PAC ̄ HisKA ̄HATPase_C REC ̄GGDEF ̄EAL HR III GGDEF
XC2302 / 2303 + HPT ̄Hkinase_dim ̄HATPase_C ̄CheW REC RH V Stand ̄alone
XC2333 / 2335  ̄ 5TM ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC ̄HPT REC ̄HDc HR IA HD
XC2456 / 2457 + 4TM ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄HTH_3 HR ID PrrA
XC3055 / 3056  ̄ PAS ̄PAC ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄ RH II Stand ̄alone
XC3117 / 3118  ̄ 5TM ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄HTH_LUXR RH III NarL
XC3125 / 3126  ̄ 2TM ̄HAMP ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C HR IC OmpR
XC3272 / 3273 + PAS ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C RH IC OmpR
XC3405 / 3406 + 2TM ̄CHASE3 ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC REC ̄ HR IA Stand ̄alone
XC3451 / 3452  ̄ 2TM ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C HR IC OmpR
XC3528 / 3529  ̄ 3TM ̄KdpD ̄Usp ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C RH IB OmpR
XC3669 / 3670 + HisKA ̄HATPase_C REC ̄AAA ̄HTH_8 RH II NtrCꎬPrrA
XC3747 / 3748  ̄ HisKA ̄HATPase_C REC ̄LytTR RH IV LytTR
XC3981 / 3982 + TM ̄HAMP ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C RH IC OmpR
XC3997 / 3998  ̄ 5TM ̄HisKA_3 ̄HATPase_C REC ̄HTH_LUXR RH III NarL
XC4030 / 4031  ̄ TM ̄HAMP ̄HisKA ̄HATPase_C REC ̄Trans_reg_C HR IC OmpR
a: S indicates the signal peptideꎻ TM indicates transmembrane structureꎻ other English codes represent the corresponding domains
of Pfam. b: HR means HK at the front in a TCSsꎻ RH means RR at the front in a TCS. c: Represents the type of output domains.
141
植物病理学报 45卷
激酶包括双体化与磷酸受体(HisKA 和 HisKA_2)
功能域和 HATPase_c功能域ꎮ HisKA 和 HisKA_2
属于 His kinase A磷酸受体功能域超家族的成员ꎬ
该超家族还包括 HWE _ HK 和 HisKA _ 3 功能
域[17]ꎮ 利用 Pfam HMMS 中 HATPase 功能域和
REC功能域搜索 Xcc 8004全基因组蛋白质编码序
列ꎬ结果如表 1、表 2所示ꎮ 55 个假定的 HKs 拥有
HATPase_ c功能域和组氨酸激酶功能域 ꎬ其中
Table 2 Orphan HK and RR genes in the genomes of Xanthomonas campestris pv. campestris 8004
Synonym Strand HK domain arrangementa HK type Synonym Strand
RR domain
arrangementa
RR typeb
XC0730 + 2REC ̄HisKA ̄HATPase_C II XC0850  ̄ REC ̄HDOD HD
XC0987  ̄ GAF ̄HisKA ̄HATPase_C IB XC1160  ̄ REC Stand ̄alone
XC1187 + 4HPT ̄Hkinase_dim ̄HATPase_C ̄CheW ̄REC V XC1183 + REC Stand ̄alone
XC1260 + S ̄RPT ̄Y_Y_Y ̄TM ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC IA XC1184 + REC Stand ̄alone
XC1261 + S ̄RPT ̄Y_Y_Y ̄TM ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC IA XC1409  ̄ REC ̄CheB CheB
XC1262 + S ̄RPT ̄Y_Y_Y ̄TM ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC IA XC1411  ̄ REC ̄EAL EAL
XC1414  ̄ HPT ̄Hkinase_dim ̄ HATPase_C ̄CheW V XC1528  ̄ REC ̄AAA NtrC
XC1526  ̄ TM ̄HAMP ̄HisKA ̄HATPase_C ID XC1755  ̄ REC ̄HDc HD
XC1686 + PAS_4 ̄3PAS ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC II XC1766  ̄ REC ̄GGDEF GGDEF
XC1691 + PAS ̄PAC ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC II XC1824  ̄
REC ̄PAS ̄
GGDEF ̄EAL
GGDEF
XC1756  ̄
2TM ̄CHASE ̄2PAS ̄2PAC ̄HisKA ̄
HATPase_C ̄2REC ̄Hpt
IA XC2096 + REC ̄HTH_LUXR NarL
XC2129  ̄ PAS ̄PAC ̄ HisKA ̄ HATPase_C II XC2130 + REC Stand ̄alone
XC2153 + GAF ̄HisKA ̄HATPase_C IB XC2180  ̄ REC ̄ANTAR ANTAR
XC2229  ̄ HisKA ̄HATPase_C ID XC2233 + REC ̄CheW CheW
XC2284 + HPT ̄Hkinase_dim ̄HATPase_C ̄CheW V XC2250 + REC ̄HTH_LUXR NarL
XC2576  ̄ PAS ̄PAC ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC II XC2252 + REC Stand ̄alone
XC2579  ̄ PAS_4 ̄2PAS ̄3PAC ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC II XC2282 + REC Stand ̄alone
XC3057 + 3TM ̄GAF ̄HisKA ̄HATPase_C ̄3REC IA XC2323 + REC ̄CheB CheB
XC3060 + REC ̄HisKA ̄HATPase_C IB XC2578 + REC Stand ̄alone
XC3067  ̄ PAS ̄HisKA ̄HATPase_C ̄2REC IA XC2965 + REC ̄Hpt Stand ̄alone
XC3068  ̄ HisKA ̄HATPase_C II XC3077 + REC ̄Response_reg OmpR
XC3714  ̄ PAS ̄PAC ̄HisKA ̄HATPase_C ̄REC IA XC3197  ̄ REC Stand ̄alone
XC3757  ̄
CheB ̄MeTrc ̄3PAS ̄PAC ̄HWE
_HK ̄HATPase_C
II XC3758 + REC Stand ̄alone
XC4167  ̄ 12TM ̄PAS ̄ HisKA ̄HATPase_C ̄REC IB XC3760  ̄ REC ̄AAA ̄HTH_8 NtrC
XC4236 + GAF ̄HisKA ̄HATPase_C IB XC3845  ̄ 2REC Stand ̄alone
XC4150 + REC ̄HTH_LUXR NarL
a:S indicates the signal peptideꎻ TM indicates transmembrane structureꎻ Other English codes represent the corresponding domains
of Pfam. b: Represents the type of output domains.
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2期 潘俊霞ꎬ等:野油菜黄单胞菌 Xcc 8004双组分信号转导系统基因及其蛋白架构分析
XC0647、XC1149 和 XC3757 为本研究新注释的
HKsꎬXC0583、XC1382、XC3069 和 XC3070 所编码
的蛋白质只有 HATPase_c功能域而缺少组氨酸激
酶功能域ꎬ本研究没有将它们作为候选 HKsꎮ 56
个假定的 RRs 拥有 REC 结构域ꎬ其中 XC1824 和
XC3758 为本研究新注释的 RRsꎮ 编码杂合 HKs
(REC ̄HKs)的基因为 20 个ꎮ HKs 和 RRs 基因散
布在整个基因组中ꎬ30 个 HKs 和 30 个 RRs 在基
因组上相邻而且转录方向一致ꎬ因而可能构成 TC ̄
Ss系统ꎬ而剩下的 25 个 HKs 和 26 个 RRs 由于无
法利用它们在基因组上的相对位置进行预测ꎬ因而
被认为是“孤儿”HKs和 RRs(表 2)ꎮ
根据 H ̄box周围氨基酸残基的保守程度ꎬQian
等在 2008年对 Xcc 8004注释的 HKs进行了分类ꎬ
Qian等将所有的 HKs 分为 5 类[18]ꎬI 类的保守基
序为 HXXXXPꎬ根据保守的氨基酸残基 His 周围
的氨基酸的不同ꎬ又可将 I 类细分为 IA、IB、IC 和
ID[18]ꎬ在 33个 I类的 HKs中属于 IA / IB / IC和 ID
的基因分别有 11 / 9 / 8 / 5 个ꎬ其中 I 类共有 HyHKs
13个ꎬ其中 11 个 IA 类 HKs 中有 10 个 HyHKsꎬ9
个 IB类 HKs中有 3个 HyHKsꎬ而 IC(8)和 ID(5)
中无杂合 HKs (表 1、表 2)ꎻ II 类保守基序为
HXXXNꎬ11 个 II 类 HKs 包括 7 个 HyHKsꎻIII 类
含有保守的 ERNNNNR ̄E / D ̄L 基序ꎻIV 类的保守
氨基酸残基 His前是 Pro 而 V类则为 Ser / Thr[18]ꎬ
除了 XC1187(V 类)外ꎬIII、IV 和 V 类 11 个 HKs
中都不包括杂合 HKs(表 1、表 2)ꎮ IA 类 HKs 其
对应的 RRs 的输出功能域多为酶功能域ꎬ II 类
HKs其对应的 RRs 大多数仅包含 REC 结构域ꎬ其
他类的 HKs 其对应的 RRs 的输出功能域多为
DNA结合功能域(表 1、表 2)ꎬ表明 HKs 在 H ̄bo ̄
xes的区别可能跟病原菌感受不同的外部信号及
利用不同的信号转导途径有关ꎬ同时 His周围的几
个氨基酸可能对 HKs特异性的识别其对应的 RRs
起到关键作用ꎮ “孤儿”HKs 基本属于 I( IAꎬ IBꎬ
ID)、II和 V类ꎬI 类中有 14 个“孤儿”HKsꎬ其中 9
个是 HyHKsꎻII类中 8 个“孤儿”HKs 中的 6 个是
HyHKs(表 1、表 2)ꎮ HyHKs 可分为三类ꎬ一类在
N端具有一个 REC功能域(XC3060)ꎻ第二类在 C
端具有一个或多个 REC功能域ꎬ该类 HyHKs有 17
个ꎬ其中具有 2个和 3个 REC功能域的各 1个(分
别为 XC1756和 XC3057)ꎻN端和 C端各具有 1 个
REC功能域的 2 个(XC0730 和 XC3067)ꎮ 3 个新
注释的 HKs 中ꎬ XC0647 属于 IV 类ꎬ XC1149 和
XC3757属于 II类ꎮ
2.2 HKs的功能域架构
在预测的 55 个 HKs 中ꎬ发现 23 个 HKs 存在
最少 1个最多 12 个跨膜结构域ꎬ30 对 TCSs 中的
19个 HKs具有跨膜结构域ꎬ表明其感受功能域能
够监测到外界环境的变化ꎮ 而 26 个“孤儿”HKs
中只有 4 个 HKs 具有跨膜结构域ꎬ特别值得注意
的是 XC4167ꎬ一个编码 HyHKs 的基因具有 12 个
跨膜结构域(表 2)ꎬ但其功能有待进一步研究ꎮ
HKs具有跨膜结构域的 19 对 TCSs 中ꎬ其 RRs 的
输出功能域属于 DNA 结合功能域以及酶ꎮ 没有
跨膜结构域的 HKs 一般被认为不能感受胞外信
号ꎬ例如 CheA、NtrB、KinA、KinB和 KinC等[19]ꎬ但
在其 N端ꎬ大部分具有胞内感受功能域ꎬ如 PAS和
GAFꎬ表明它们能感受包括胞内氧、一氧化碳、光合
中间代谢产物等多种信号的刺激[14]ꎬ并且多数
HKs包含多个感受功能域ꎬ见表 1、表 2及图 1ꎮ 但
大部分胞内信号感受蛋白的功能包括它们的配体
有待进一步研究ꎮ PAS功能域一般和 PAC功能域
直接相连一起形成 PAS 的 3D 构象ꎮ PAS 功能域
和 PAC功能域的分化主要因为 2个功能域连接部
位序列的差异[20ꎬ21]ꎬ有研究表明ꎬPAS 功能域是
EAG ̄like K+通道[22]ꎮ
本研究发现在 HKs的功能域架构中ꎬ除了 IC、
III和 IV类 HKs 外ꎬ其他所有类型的 HKs 都包括
预测和蛋白质作用的功能 域 ( GAFꎬ PASꎬ
CheW)ꎬV 类是一类 CheA ̄like 的信号蛋白ꎬXcc
8004包含 Hpt(Histidine ̄containing Phosphotransfer
domain)功能域的 HKs都属于该类信号蛋白ꎬ因而
也叫类 Hpt HKsꎬ其 N端一般包括 Hpt、Hkd (Histi ̄
dine kinase dimerization)以及 C 端的 CheW 功能
域ꎬHpt功能域可将磷酸基团从一个接收功能域转
到另一个接收功能域[23]ꎮ Hkd 功能域是一个
CheA和 CheW二聚体化功能域ꎬ从 CheA 接收信
号和接受趋化蛋白 (methylaccepting chemotaxis
proteinsꎬ MCPs)相互作用继而影响鞭毛旋转[24]ꎮ
而杂合 HKs主要属于 Type IA IB 和 II 型(图 1)ꎮ
HAMP (Histidine kinaseꎬ Adenylyl cyclaseꎬ Meth ̄
yl ̄accepting chemotaxis protein and Phosphatase)功
341
植物病理学报 45卷
Fig. 1 Schematic representation of the conserved core
structures found in X. campestris pv. campestris HK types
The domains are not drawn to scale. HAMPꎬ domain found in HKsꎬ Adenylyl cyclasesꎬ Methyl binding proteins
and Phosphatases (PF00672)ꎻ HisKAꎬ HK dimerization / phosphoaceptor domain (PF00512)ꎻ HATPase_cꎬ
HK ̄type ATPase catalytic domain (PF02518)ꎻ PASꎬ signal sensor domain (PF00989)ꎻ PACꎬ PAC( IPR001610)
occurs C ̄terminal to a subset of PASꎻ HPtꎬ Histidine ̄containing Phosphotransfer domain (PF01627)ꎻ H ̄kinase_dimꎬ
HK homodimeric domain (PF02895)ꎻ GAFꎬ signal sensor domain (PF01590) .
能域作为一个连接功能域通常通过一个周质配体
结合结构域将胞外信号跨膜传输到对应的 RRs 的
接受功能域[25~27]ꎮ 在 Xcc 8004中ꎬ有 8 个 HKs具
有 HAMP 功能域ꎬ都属于 I 类ꎬ其中 IB、IC 和 ID
的 HAMP HKs分别为 1 / 6 / 1ꎬ8个中的 6 个与不超
过 2个的跨膜结构连接ꎮ 只有 XC1526 属于“孤
儿”HKsꎬ其它 7个 HAMP HKs都与 RRs成对存在
于基因组中(表 1、表 2)ꎮ
2.3 RRs的功能域架构
RRs 功能域的组合区别很大ꎬ根据 RRs 的功
能域分析可把它们划分到不同的类别[18ꎬ 28]ꎬ典型
的 RRs功能域一般包括 N 端的一个接收功能域
REC以及 C端的一个输出功能域ꎬ该输出功能域
包括 DNA结合功能域(OmpRꎬNarLꎬNtrC 和 Lyt ̄
TR)、RNA 结合功能域 ANTAR[29] 和酶功能域
(CheBꎬ GGDEFꎬ EALꎬ HDc)(表 1、表 2)ꎮ 27 个
RRs具有 DNA结合功能域ꎬ10个 RRs具有酶功能
域ꎬ1个 RRs 具有 RNA 结合功能域ꎬ16 个 RRs 只
具有一个 REC结构域ꎬ该类 RRs 被认为和蛋白质
发生作用[18]ꎮ 在 Xcc 8004 的 RRs 中除了 XC2233
(包含 CheW功能域)、XC2965(包含 Hpt 功能域)
外(表 1、表 2)ꎬ其他 RRs 没有与蛋白质或配体结
合的输出功能域(CheWꎬPASꎬGAF 等)ꎬ这些蛋白
质结合功能域一般在 HKs 中编码(表 1、表 2)ꎮ 2
个新注释的 XC1824 和 XC3758 分别编码酶(GG ̄
DEF)和 1个 REC功能域蛋白ꎬ但具体功能未知ꎮ
441
2期 潘俊霞ꎬ等:野油菜黄单胞菌 Xcc 8004双组分信号转导系统基因及其蛋白架构分析
2.4 HKs的二级结构预测
利用 SOPMA 软件ꎬ对 HKs 的二级结构进行
了预测ꎮ 各种类型的 HKs 蛋白质的二级结构中 α
螺旋(α ̄Helix)、β 折叠主链(Extended Strand)、β
转角(β ̄Turn)、无规则卷曲(Random Coil)的百分
含量 大 部 分 差 异 不 明 显 (表 3 )ꎮ XC1260、
XC1261、XC1262和 XC1939在功能域架构上基本
一致(表 1、表 2)ꎬ在二级结构的预测中ꎬ这 4 个基
因编码的蛋白质 α 螺旋所占比例远较其他 HKs
低ꎬ分别为 23.86%、24.53%、24.04%和 21.71%(平
均 51.27%)ꎻ而 β折叠主链所占比例则相对较高ꎬ
分别为 25.97%、26.90%、26.80%和 25.87%(平均
13. 80%)ꎬ这表明 XC1260、 XC1261、 XC1262 和
XC1939在识别外界信号以及信号传递机制上比
较相似ꎬ且相比其他 HKs区别较大ꎮ
Table 3 The prediction of secondary structure of HK proteins in the genomes of Xcc 8004
ID
Alpha
helix
Extended
strand
Beta
turn
Random
coil
Length Type ID
Alpha
helix
Extended
strand
Beta
turn
Random
coil
Length Type
XC0113 58.19 12.96 7.82 21.03 409 III XC2229∗ 57.60 13.24 3.19 25.98 408 ID
XC0197 46.99 16.62 6.02 30.37 349 ID XC2284∗ 52.99 14.70 8.17 24.14 551 V
XC0495 59.97 9.13 4.04 26.86 767 IA XC2303 47.53 14.54 7.35 30.58 667 V
XC0647 56.98 9.69 7.41 25.93 351 VI XC2333 54.68 11.85 4.27 29.20 726 IA
XC0728 65.51 9.95 3.48 21.06 603 IB XC2456 57.21 12.22 3.18 27.38 409 ID
XC0730∗ 48.20 15.80 6.20 29.80 500 II XC2576∗ 54.14 12.29 4.86 28.71 700 II
XC0769 41.57 10.44 4.22 43.78 498 IB XC2579∗ 48.97 15.08 4.65 31.30 968 II
XC0813 55.53 12.15 3.47 28.85 461 IC XC3056 46.91 16.02 8.01 29.06 437 II
XC0818 54.14 13.51 7.15 25.20 881 IB XC3057∗ 52.29 13.67 5.83 28.20 1046 IA
XC0987∗ 45.93 15.84 4.52 33.71 442 IB XC3060∗ 49.47 14.97 3.21 32.35 374 IB
XC1050 51.17 11.69 3.12 34.03 385 IC XC3067∗ 50.00 15.02 5.88 29.10 646 IA
XC1062 59.89 12.69 1.87 25.56 536 ID XC3068∗ 58.88 10.86 4.61 25.66 304 II
XC1149 56.25 12.20 5.65 25.89 336 II XC3118 60.80 10.55 4.02 24.62 398 III
XC1187∗ 54.20 9.04 6.65 30.11 2345 V XC3125 56.44 11.71 3.04 28.81 427 IC
XC1260∗ 23.86 25.97 10.54 39.63 1186 IA XC3273 53.69 14.54 3.58 28.19 447 IC
XC1261∗ 24.53 26.90 9.39 39.17 1182 IA XC3405 63.99 10.38 3.62 22.01 636 IA
XC1262∗ 24.04 26.80 10.30 38.86 1194 IA XC3451 56.74 10.17 2.36 30.73 423 IC
XC1414∗ 49.85 13.62 7.04 29.49 668 V XC3529 53.39 12.41 4.97 29.23 886 IB
XC1421 53.67 13.00 3.98 29.35 477 IC XC3670 61.96 11.84 2.77 23.43 397 II
XC1526∗ 61.60 9.83 6.61 21.97 651 ID XC3714∗ 48.10 15.56 4.76 31.59 630 IA
XC1686∗ 47.90 13.87 4.89 33.33 1002 II XC3748 44.80 16.76 8.09 30.35 346 IV
XC1691∗ 45.19 15.74 6.11 32.96 540 II XC3757∗ 51.14 13.42 4.64 30.80 1185 II
XC1756∗ 55.35 12.17 4.18 28.30 1364 IA XC3982 53.67 9.01 4.82 32.49 477 IC
XC1939 21.71 25.87 7.85 44.57 1032 III XC3998 56.51 11.55 4.42 27.52 407 III
XC1965 50.87 12.57 4.80 31.76 1146 IA XC4030 50.96 11.25 5.73 32.06 471 IC
XC2129∗ 55.02 12.33 6.16 26.48 438 II XC4167∗ 56.41 12.55 5.67 25.37 1147 IB
XC2153∗ 47.28 15.13 4.73 32.86 423 IB XC4236∗ 46.75 16.63 5.06 31.57 415 IB
XC2227 58.54 10.76 3.73 26.97 697 III
“∗”: Represents the orphan HKs.
541
植物病理学报 45卷
Table 4 The prediction of cognate RRs of orphan HKs in the genomes of Xcc 8004
Kinase Regulator Probabilitya Kinase Regulator Probabilitya
XC0987 XC3197 0.71 XC2129 XC3760 0.87
XC1691 XC2252 0.35 XC2153 XC2578 0.55
XC2576 XC1411 0.47
XC2229
XC1766 0.40
XC1414
XC1409 0.48 XC0816 0.30
XC2323 0.47 XC4236 XC0850 0.70
XC1526 XC1528 0.93
a: The possibility of interactions between proteins below 0.3 is not listed here.
2.5 “孤儿”HKs对应 RRs的预测
利用 SwissRegulon 网站( http: / / www. swiss ̄
regulon.unibas.ch / cgi ̄bin / TCS.pl) [16]对所有的“孤
儿”HKs对应的 RRs 进行预测(表 4)ꎬXC1526 和
XC1528相互作用的可能性高达 0.93(表 4)ꎬ表明
这 2个基因很可能组成一个 TCSꎬ序列分析表明ꎬ
XC1526和 XC1528 为 Xcc 特有基因在其他黄单胞
菌中并无同源基因发现(数据未列出)ꎬ但具体功
能仍不清楚ꎮ XC2252( vemR)是一个重要的致病
调控基因ꎬ调控 Xcc 的毒性、胞外多糖及游动
性[30]ꎬ但其具体作用机制及上游对应 HK 还不清
楚ꎬ软件预测 VemR 和 XC1691(一个具有 PAS 功
能域的杂合蛋白)相互作用的可能性达到 0.35ꎬ这
一预测为研究 vemR 这一重要调控基因上游信号
传递机制提供了新的思路ꎮ 另外ꎬ XC0987 和
XC3197、 XC2129 和 XC3760 以 及 XC4236 和
XC0850这几对蛋白之间发生相互作用的可能性
都大于或等于 0.7ꎬ表明这些蛋白之间很可能存在
信号传递ꎬ为进一步研究提供了参考ꎮ
3 讨论
双组分信号转导系统在病原菌感受外界环境
因子变化的过程中起关键作用ꎮ 与基因组较小的
细菌相比ꎬ基因组较大的细菌拥有不成比例的丰富
的调控蛋白参与到转录调控和信号转导中ꎬ表明这
些细菌通常具有复杂的调控网络[31~33]ꎮ 本文全面
分析了基因组中 TCSs 蛋白ꎬ如此大量的 TCSs 蛋
白是适应不同环境和侵染不同植物所必需的ꎮ 作
为研究微生物与寄主相互作用分子机理的模式菌ꎬ
Xcc的致病调控机制一直是人们关注的焦点ꎬ尽管
已从 Xcc鉴定出近百个致病相关基因ꎬ但其中只有
hpaS、hrpG、 rpfC / G、 colS / R、 ravS / R、 vemR、 sreK /
R / S等属于双组分信号转导系统基因ꎬ并且它们调
控致病过程的分子机制也有待进一步研究ꎮ 黄单
胞菌属已发表 TCSs 的最新综述可参考 Wang
等[34]2010 年的文章ꎮ hrpG 属于 TCS 的调控子
OmpR家族成员ꎬ是 Hrp T3SS 致病系统的主要调
控子ꎬ也是 Xcc中已知的该致病系统最上游的调控
子[35]ꎮ Li 等[36]的研究表明ꎬhpaS 可能通过激活
HrpG从而调控 T3SS的表达进而影响致病和过敏
反应ꎮ rpfG / C 是 Xcc 中研究最多、作用机理最清
楚的 TCSs 基因ꎬ活化状态的 RpfG 能降解 c ̄di ̄
GMP[37]ꎮ Rpf C / Rpf系统通过感受包括 DSF在内
的信号来启动下游基因的表达ꎬ同时 RpfC 负调控
DSF的合成[38]ꎮ DSF / Rpf调控系统正向调控胞外
酶和胞外多糖的合成[31]ꎬ而且还负向调控细菌生
物膜形成与解聚以及细胞群体感应等[39ꎬ40]ꎮ
ravR / S参与 Xcc XC1 对低氧胁迫的感受ꎬ并调控
耐受相关基因的表达ꎮ 推测 RavR 是通过回应群
体感应系统、感受低氧信号ꎬ经由全局调控子 Clpꎬ
来调控致病基因的表达的[41]ꎮ colR / S(也称 vgrR /
S)ꎬ在菌株中与叶表定殖、抗逆能力、致病力及致
敏力相关[42]ꎮ 研究结果表明ꎬcolR ̄colS 基因与早
期侵染有关[42]ꎬ并只调控 hrpC和 hrpE 2个 hrp操
纵子的表达而不调控其他 hrp 操纵子ꎬ也不受
HrpG和 HrpX 的调控[42]ꎮ vemR 的编码产物仅编
码 REC结构域ꎬ推测其功能可能与蛋白之间的相
互作用有关ꎬ在 Xcc 8004 菌株中已被证实与该菌
的胞外多糖产量、运动性和致病力相关[30]ꎮ Wang
等[43]对 SreK / SreR / SreS 组成的三组分信号系统
的研究表明ꎬSreS 参与到 SreK / R 的磷酸化ꎬ并调
控 Xcc 在盐离子压力下的抗逆过程ꎮ 去磷酸化的
641
2期 潘俊霞ꎬ等:野油菜黄单胞菌 Xcc 8004双组分信号转导系统基因及其蛋白架构分析
SreR反馈调控 sreK / sreR / sreS / hppK 操纵子ꎬ从而
调控叶酸合成调控基因 hppK的表达[43]ꎮ
一般认为ꎬHKs 和其对应的 RRs 在基因组上
相互靠近并且转录方向一致ꎬ 但也有例外ꎬ
XC2227 / XC2228 / XC2229在基因组上顺序排列ꎬ其
中 XC2227 / XC2229 分别编码 ID 类和 II 类组氨酸
激酶(表 1、表 2)ꎬ而 XC2228 编码一个具有 EAL
和 GGDEF 功能域的响应调控蛋白ꎬ XC2227 /
XC2228转录方向为正向而 XC2229 转录方向为反
向[10]ꎬ其在 Xanthomonas oryzae pv. oryzae 中的同
源基因分别为 PXO _ 01020 / PXO _ 01019 / PXO _
01018ꎬ其中 PXO_01020 / PXO_01019 转录方向一
致而 PXO _01018 则与之相反ꎮ 在 Xanthomonas
campestris pv. campestris 中 RavS(XC2227) / RavR
(XC2228)组成一个 TCS[44]ꎬ推测“孤儿”组氨酸
激酶蛋白 XC2229 和 XC0816 及 XC1766 分别有
0.3和 0. 4 的可能性发生相互作用(表 4)ꎮ 而在
Xanthomonas oryzae pv. oryzae 中ꎬ PdeK ( PXO _
01018) / PdeR(PXO_01019)组成的一个 TCSs通过
调节 c ̄di ̄GMP 的浓度调节该菌的致病性[45]ꎮ 这
种不同微生物间 HKs和 RRs组合的多样性也为研
究 TCSs的信号途径进化机制提供了新的思路ꎮ
在二级结构预测中ꎬXC1260、XC1261、XC1262
和 XC1939编码的氨基酸序列 β 折叠主链所占比
例约 25%ꎬ远远超过 13.80%的平均比例ꎬ而 α螺旋
则远低于 51.27%的平均比例(表 3)ꎬ表明这 4 个
基因在信号传递机制上有异于其他 HKsꎮ 这 4 个
基因编码蛋白质 N端的 RPT结构域常以串联重复
序列的形式出现ꎬ可能形成一个包含 2 个七叶片
β ̄propeller或者一个六叶片后跟着一个八叶片的
模块ꎬ该结构可能与其他蛋白质、DNA或小分子物
质相互作用ꎬ但是目前对于该结构可能结合的蛋白
质或 DNA 仍不清楚[46]ꎮ 常见的 β ̄propeller 有六
叶片、七叶片、八叶片 3类ꎬ含有 β ̄propeller的蛋白
在功能、序列、分类上丰富多样[46]ꎮ 而 Y_Y_Y 结
构域一般出现在重复的 RPT 结构域尽头ꎬ因氨基
酸序列中常含多个保守的酪氨酸而得名ꎮ 虽然这
2个结构域的具体功能现在仍不清楚ꎬ但是大部分
的研究认为其类似于 PAS 结构域ꎬ可以接收膜外
的分子信号ꎬ并通过其相邻的跨膜结构域后的功能
域调控一系列相关的生理生化反应[46]ꎮ Bonsor
等[47]发现ꎬ5个蛋白装配的 Tol系统为革兰氏阴性
菌外膜的稳定所必需ꎬTol 系统的主要功能通过有
六个叶片的 β ̄propeller蛋白 TolB实现ꎬβ ̄propeller
的异构信号和大肠菌素肽转位相关ꎮ TolB的 β 螺
旋结构为 Tol系统功能和大肠杆菌素毒力所必须
的结构ꎮ 多型拟杆菌 ( Bacteroides thetaiotaomi ̄
cron)BT4663的编码产物是一个含有 RPT 结构域
和 Y_Y_Y结构域的一个杂合双组分蛋白ꎬ调控该
菌对肝素和硫酸乙酰肝素的感应和降解ꎮ Elisa ̄
beth等[48]提出一个剪刀开闭模型来解释该杂合双
组分系统跨膜信号传递的机制ꎮ 其中ꎬ14 个串联
的 Reg_prop结构域可以形成两个含有 7 个叶片的
β ̄propeller 结构ꎬ等温量热滴定法( ITC)验证其可
以和 ΔUA ̄GlcNAc6S 特异结合并引发构象的改
变ꎮ Y_Y_Y结构域是一个刚性结构ꎬ当前端的 β ̄
propeller构象改变时ꎬ其构象不变ꎬ而是随之发生
角度变化ꎬ牵引其后的跨膜螺旋及其他结构域发生
位移或者构象改变ꎮ BT4663常以二聚体的形式存
在ꎬβ ̄propeller构象改变及 Y_Y_Y 结构域带来的
跨膜螺旋和膜内功能域的位移等改变类似于剪刀
叶片的开合[48]ꎮ
Xcc 8004中大量 HKs和 RRs的存在有力地表
明ꎬTCSs在 Xcc 8004适应不同的寄主植物和非寄
主植物环境中起着重要的调控作用ꎮ 特别需要关
注的是在 Xcc 8004的基因组中存在大量的“孤儿”
HKs和 RRsꎮ 这些“孤儿”HKs和 RRs为 Xcc 8004
感受不同的环境并作出反应提供了更多可能的信
号转导途径ꎮ 利用遗传和生化研究的方法将有助
于在分子水平上探索某些 TCSs 蛋白质介导的信
号转导通路ꎬ如 TCSs基因缺失突变体的构建和分
析ꎬ以确定 HKs 的感受信号和每个系统中 RR 的
靶基因ꎮ 此外ꎬ对这些信号转导通路的进一步研究
也为防治 Xcc 8004提供了新的策略ꎮ
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