全 文 ：植物科学学报　 ２０１４ꎬ ３２(５): ４８７~４９２
Ｐｌａｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ
　 　 ＤＯＩ:１０􀆰 １１９１３ / ＰＳＪ􀆰 ２０９５－０８３７􀆰 ２０１４􀆰 ５０４８７
千里光 β￣微管蛋白基因结构与功能的生物信息学分析
张 林１∗ꎬ 徐德林１∗ꎬ 储士润１ꎬ 吴贵英２ꎬ 沈 访２ꎬ 钱 刚１∗∗
(１. 遵义医学院细胞生物学与遗传学教研室ꎬ 贵州遵义 ５６３０００ꎻ
２. 遵义医学院第一临床学院ꎬ 贵州遵义 ５６３０００)
摘　 要: β￣微管蛋白是影响细胞新陈代谢和行使功能的重要结构物质ꎬ 研究 β￣微管蛋白基因的序列信息对揭示其
蛋白结构与功能具有重要指导意义ꎮ 从千里光全长 ｃＤＮＡ文库中分离得到 β￣微管蛋白基因ꎬ 并采用生物信息学
软件进行序列分析ꎮ 结果显示ꎬ 该基因长度为 １７５０ ｂｐꎬ 编码的蛋白质长度为 ４４８ 个氨基酸ꎬ 与柚子 β￣微管蛋
白的同源性最高ꎬ 达 ９６％ꎻ 其蛋白质分子量为 ５０􀆰 ０１ ｋＤꎬ 理论等电点为 ４􀆰 ８３ꎮ β￣微管蛋白二级结构主要组成为
无规则卷曲结构和 α螺旋结构ꎻ 结构域分析发现该蛋白具有两个保守结构域ꎻ 三级结构预测为相对稳固的类球
形结构ꎻ 信号肽分析将该蛋白主要定位于细胞质、 过氧化物酶体、 线粒体基质等亚细胞器位置ꎮ 将该基因序列
上传至 ＧｅｎＢａｎｋ所获得的登录号为 ＫＦ８８７４９５ꎮ 本实验结果为千里光 β￣微管蛋白的作用机制揭示和应用研究提
供了基础数据ꎬ 也为植物 β￣微管蛋白基因的分子研究提供了理论依据及基础资料ꎮ
关键词: 千里光ꎻ β￣微管蛋白ꎻ 结构与功能ꎻ 生物信息学
中图分类号: Ｑ７５　 　 　 　 　 文献标识码: Ａ　 　 　 　 　 文章编号: ２０９５￣０８３７(２０１４)０５￣０４８７￣０６
　 　 　 收稿日期: ２０１３￣１２￣３１ꎬ 退修日期: ２０１４￣０２￣２４ꎮ
　 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)ꎻ 遵义医学院博士启动基金(Ｆ￣５６７)ꎻ 贵州省中药现代
化科技产业研究开发专项(黔科合 ＺＹ字[２０１３]３００２号)ꎮ
　 作者简介: 张林(１９８８－)ꎬ 男ꎬ 硕士研究生ꎬ 研究方向为药用动植物资源开发利用(Ｅ￣ｍａｉｌ: ｚｈａｎｇｌｉｎｚｈａｉｘｉａｎ＠１６３􀆰 ｃｏｍ)ꎻ 徐德林ꎬ
(１９８１－)ꎬ 男ꎬ 博士ꎬ 副教授ꎬ 研究方向为药用动植物资源开发利用(Ｅ￣ｍａｉｌ: ｘｕｄｅｌｉｎ２０００＠１６３􀆰 ｃｏｍ)ꎮ
　 ∗共同第一作者ꎮ
　 ∗∗通讯作者(Ａｕｔｈｏｒ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ􀆰 Ｅ￣ｍａｉｌ: ｐｅｎｇｊｉａｑｉｏｎｇ＠１６３􀆰 ｃｏｍ)ꎮ
Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｕｂｕｌｉｎ￣ｂｅｔａ Ｇｅｎｅ ｉｎ
Ｓｅｎｅｃｉｏ ｓｃａｎｄｅｎｓ Ｂｕｃｈ. ￣Ｈａｍ. ｅｘ Ｄ. Ｄｏｎ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉｎ１∗ꎬ ＸＵ Ｄｅ￣Ｌｉｎ１∗ꎬ ＣＨＵ Ｓｈｉ￣Ｒｕｎ１ꎬ ＷＵ Ｇｕｉ￣Ｙｉｎｇ２ꎬ ＳＨＥＮ Ｆａｎｇ２ꎬ ＱＩＡＮ Ｇａｎｇ１∗∗
(１. Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇｅｎｅｔｉｃｓꎬ Ｚｕｎｙｉ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｚｕｎｙｉꎬ Ｇｕｉｚｈｏｕ ５６３０００ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
２. Ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｚｕｎｙｉ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｚｕｎｙｉꎬ Ｇｕｉｚｈｏｕ ５６３０００ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｂｅｔａ￣ｔｕｂｕｌｉｎ ｉｓ ａｎ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｃｅｌｌ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ.
Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅꎬ ｔｈｅ Ｓｅｎｅｃｉｏ ｓｃａｎｄｅｎｓ Ｂｕｃｈ. ￣Ｈａｍ. ｅｘ Ｄ. Ｄｏｎ ｂｅｔａ￣ｔｕｂｕｌｉｎ ｇｅｎｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗａｓ
ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎꎬ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｍꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ
ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ. Ｔｈｅ ｂｅｔａ￣ｔｕｂｕｌｉｎ ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｆｏｒｍｅｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ
ｆｕｌｌ￣ｌｅｎｇｔｈ ｃＤＮＡ ｌｉｂｒａｒｙ ｏｆ Ｓ. ｓｃａｎｄｅｎｓꎬ ａｎｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｑｕｅｒｙ ｆｏｒ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ
ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ｔｏｏｌｓ. Ｔｈｅ Ｓ. ｓｃａｎｄｅｎｓ ｂｅｔａ￣ｔｕｂｕｌｉｎ ｇｅｎｅ ｗａｓ １７５０ ｂｐ ｌｏｎｇꎬ ｃｏｄｉｎｇ ４４８ ａｍｉｎｏ
ａｃｉｄ ｒｅｓｉｄｕｅｓꎬ ａｎｄ ｓｈａｒｅｄ ９６％ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｉｄｅｎｔｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｅｔａ￣ｔｕｂｕｌｉｎ ｇｅｎｅ ｉｎ Ｃｉｔｒｕｓ ｍａｘｉｍａ.
Ｔｈｉｓ ｐｒｏｔｅｉｎ ｈａｄ ａ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ５０􀆰 ０１ ｋＤ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｉｓｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｉｎｔ ｏｆ
４􀆰 ８３. Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｔｅｉｎ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌｓ ａｎｄ ａｎ ａｌｐｈａ ｈｅｌｉｘ
ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｄｏｍａｉｎｓ. Ｉｔｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｌｅ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ. Ｓｉｇｎａｌ ｐｅｐｔｉｄｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｐｒｏｂａｂｌｅ ｓｕｂ￣ｃｅｌｌｕｌａｒ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｓ
ｐｒｏｔｅｉｎ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｃｙｔｏｐｌａｓｍꎬ ｐｅｒｏｘｉｓｏｍｅ ａｎｄ ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｍａｔｒｉｘ ｓｐａｃｅ. Ｔｈｉｓ ｇｅｎｅ ｗａｓ
ｕｐｌｏａｄｅｄ ｔｏ ＧｅｎＢａｎｋ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｃｅｓｓ ｎｕｍｂｅｒ ＫＦ８８７４９５. Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌａｙｓ ａ ｓｏｌｉｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｒｅｖｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｇｅｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｓ.
ｓｃａｎｄｅｎｓ. Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓｏｍｅ ｂａｓｉｃ ｄａｔａ ｆｏｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｐｌａｎｔ ｂｅｔａ￣ｔｕｂｕｌｉｎ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: Ｓｅｎｅｃｉｏ ｓｃａｎｄｅｎｓꎻ Ｔｕｂｕｌｉｎ￣ｂｅｔａꎻ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎꎻ Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ａｎａｌｙ￣
ｚｉｎｇ
　 　 千里光(Ｓｅｎｅｃｉｏ ｓｃａｎｄｅｎｓ Ｂｕｃｈ. ￣Ｈａｍ. ｅｘ
Ｄ. Ｄｏｎ)为菊科(Ｃｏｍｐｏｓｉｔａｅ)千里光属多年生草
本植物ꎬ 是我国传统中药材ꎬ 具有清热解毒、 杀
虫、 明目、 保肝等功效ꎬ 主要用于治疗痈肿疮毒、
感冒发热、 目赤肿痛、 泄泻痢疾和皮肤湿疹
等[１－３]ꎮ 本实验室的前期研究证实ꎬ 千里光对迟钝
爱德菌、 金黄色葡萄球菌、 铜绿假单胞菌、 大肠埃
希菌、 甲型副伤寒杆菌、 福氏痢疾杆菌均有抗菌作
用[４]ꎬ 具有重要的药用价值ꎮ
微管蛋白为细胞骨架的重要结构物质ꎬ 在动
植物所有组织和细胞中普遍存在[５－７] ꎬ 微管蛋白
对细胞的新陈代谢和功能实现具有重要影响ꎮ 在
药物开发研究中ꎬ 微管蛋白被当作抗肿瘤药物的
重要靶点ꎬ 微管蛋白的组成与状态对抗微管药耐
药性起主要作用[８] ꎮ 微管蛋白主要由 α、 β￣微管
蛋白组成ꎬ 抗微管药物是通过影响 β￣微管蛋白的
聚合与解聚而发挥抗癌作用的ꎮ 通过对其它物种
中 β￣微管蛋白基因的研究发现ꎬ β￣微管蛋白功能
具有多样性ꎬ 主要包括维持细胞形态、 参与胞内运
输与细胞运动、 调节细胞分裂及信号传导等[９]ꎮ
目前关于动物 β￣微管蛋白基因的研究较多ꎬ 但关
于植物 β￣微管蛋白基因的报道较少ꎬ 尚未见到千
里光 β￣微管蛋白基因的文献ꎮ 对千里光 β￣微管蛋
白基因进行核苷酸、 氨基酸、 蛋白结构、 功能位点
的信息学分析ꎬ 对阐明其功能和作用机制、 结构与
功能的关系具有重要指导意义ꎮ 此外ꎬ 基于 β￣微
管蛋白基因序列在动物、 植物中具有保守性ꎬ 也可
为千里光抗菌性状的研究和以 β￣微管蛋白为靶点
的抗癌药物的研发提供启示ꎮ
本研究从已构建的千里光 ｃＤＮＡ 文库[１０]中筛
选出 β￣微管蛋白基因的全长序列ꎬ 利用在线生物
信息学分析软件对该基因进行氨基酸序列、 理化性
质、 蛋白二级结构、 结构功能域、 三级结构、 亚细
胞定位、 功能分类及蛋白质信号肽的分析ꎬ 推测千
里光 β￣微管蛋白核苷酸和氨基酸序列的结构特点
和作用机制ꎬ 以期为该基因的功能验证、 作用机理
阐释和基因的应用研究提供理论指导ꎬ 也为植物
β￣微管蛋白基因的分子研究提供基础资料与参考ꎮ
１　 研究方法
１􀆰 １　 千里光 β￣微管蛋白基因的克隆
应用宝生物(大连)工程公司的 ＲＮＡ 提取试剂
盒提取千里光叶片总 ＲＮＡꎬ 用 ＳＭＡＲＴ方法构建叶
片组织全长 ｃＤＮＡ文库[１０]ꎬ 对测序结果进行 ＮＣＢＩ
数据库 Ｂｌａｓｔ Ｘ 分析(ｈｔｔｐ: / / ｂｌａｓｔ. ｎｃｂｉ. ｎｌｍ. ｎｉｈ.
ｇｏｖ / Ｂｌａｓｔ􀆰 ｃｇｉ)ꎬ 从注解结果中初步筛选出注解为
β￣微管蛋白基因的全长序列ꎮ
１􀆰 ２　 千里光 β￣微管蛋白序列的生物信息学分析
１􀆰 ２􀆰 １　 氨基酸序列分析
用 ＮＣＢＩ的在线分析软件 Ｂｌａｓｔ 对测序获得的
核苷酸序列进行在线比对ꎬ ＯＲＦ ｆｉｎｄｅｒ 检测 ｃＤＮＡ
序列的开放阅读框ꎻ 利用 ＤＮＡＭＡＮ 软件进行多物
种同源氨基酸序列的多重比对ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ２　 理化性质分析
应用 Ｅｘｐａｓｙ 网站的 ＰｒｏｔＰａｒａｍ 程序(ｈｔｔｐ: / /
ｗｅｂ􀆰 ｅｘｐａｓｙ􀆰 ｏｒｇ / ｐｒｏｔｐａｒａｍ / )对千里光 β￣微管蛋
白进行氨基酸含量与理论分子量及等电点的分析ꎻ
利用 ＰｒｏｔＳｃａｌｅ 程序 ( ｈｔｔｐ: / / ｗｅｂ. ｅｘｐａｓｙ. ｏｒｇ /
ｐｒｏｔｓｃａｌｅ / )进行 β￣微管蛋白的疏水性分析ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ３　 结构预测
使用在线软件 ＧＯＲ４ ( ｈｔｔｐ: / / ｎｐｓａ￣ｐｂｉｌ. ｉｂ￣
ｃｐ􀆰 ｆｒ / ｃｇｉ￣ｂｉｎ / ｎｐｓａ￣ａｕｔｏｍａｔ􀆰 ｐｌ)进行目的序列的
二级结构分析ꎻ 应用 ＳＭＡＲＴ 服务器 ( ｈｔｔｐ: / /
ｓｍａｒｔ􀆰 ｅｍｂｌ￣ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ􀆰 ｄｅ / )和 ＧｅｎＢａｎｋ 对目的
序列进行功能结构域分析ꎻ 用同源模型服务软件
ＳＷＩＳＳ￣ＭＯＤＥＬ ( ｈｔｔｐ: / / ｓｗｉｓｓｍｏｄｅｌ􀆰 ｅｘｐａｓｙ􀆰 ｏｒｇ / )
进行三维结构预测[１１ꎬ１２]ꎮ
１􀆰 ２􀆰 ４　 功能分析
通过在线工具 Ｐｓｏｒｔ(ｈｔｔｐ: / / ｐｓｏｒｔ.ｎｉｂｂ. ａｃ􀆰 ｊｐ /
ｆｏｒｍ􀆰 Ｈｔｍｌ)进行目的序列的亚细胞定位分析ꎻ 应用
在线工具 Ｐｒｏｆｕｎ(ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ. ｃｂｓ. ｄｔｕ􀆰 ｄｋ / ｓｅｒｖ￣
ｉｃｅｓ / ＰｒｏｔＦｕｎ / )进行功能分类预测ꎻ 使用在线工具
８８４ 植 物 科 学 学 报 第 ３２卷　
ＳｉｇｎａｌＰ ( ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ􀆰 ｃｂｓ􀆰 ｄｔｕ􀆰 ｄｋ / ｓｅｒｖｉ￣ｃｅｓ / Ｓｉｇ￣
ｎａｌＰ / )进行蛋白质信号肽分析ꎮ
２　 结果与分析
２􀆰 １　 氨基酸序列预测分析
根据 ＯＲＦ ｆｉｎｄｅｒ 对千里光 β￣微管蛋白基因的
开放阅读框分析发现ꎬ 该基因全长 １７５０ ｂｐꎬ 共编
码氨基酸残基 ４４８ 个ꎬ 包含一个完整的开放阅读
框ꎮ 将该基因序列提交至 ＧｅｎＢａｎｋꎬ 获得注册登
录号为 ＫＦ８８７４９５ꎮ 应用软件 ＤＮＡＭＡＮ 进行多物
种氨基酸序列比对ꎬ 发现千里光 β￣微管蛋白的氨
基酸序列与螺旋狸藻、 蒺藜苜蓿、 水稻、 可可树、
陆地棉及乌拉尔图小麦等植物的 β￣微管蛋白基因
序列同源性很高(图 １)ꎬ 说明 β￣微管蛋白基因在植
sc 36
XP_002330612.1
ACM78033.1
AGH08242.1
ABS50668.1
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JC2511
EOY25532.1
ABY86660.1
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ｓｃ￣３６: 千里光(Ｓｅｎｅｃｉｏ ｓｃａｎｄｅｎｓ)ꎻ ＸＰ＿００２３３０６１２􀆰１: 毛果杨(Ｐｏｐｕｌｕｓ ｔｒｉｃｈｏｃａｒｐａ)ꎻ ＡＣＭ７８０３３􀆰１: 柚子(Ｃｉｔｒｕｓ ｍａｘｉｍａ)ꎻ
ＡＧＨ０８２４２􀆰１: 钻天柳(Ｓａｌｉｘ ａｒｂｕｔｉｆｏｌｉａ)ꎻ ＡＢＳ５０６６８􀆰１: 大桉树(Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ ｇｒａｎｄｉｓ)ꎻ ＥＰＳ６３６７６􀆰１: 螺旋狸藻(Ｇｅｎｌｉｓｅａ ａｕｒｅａ)ꎻ
ＸＰ＿ ００３５９４５９６􀆰１: 蒺藜苜蓿 (Ｍｅｄｉｃａｇｏ ｔｒｕｎｃａｔｕｌａ)ꎻ ＪＣ２５１１: Ｒ２２４２￣水稻 ( Ｒ２２４２￣ｒｉｃｅ)ꎻ ＥＯＹ２５５３２􀆰１: 可可树 ( Ｔｈｅｏｂｒｏｍａ
ｃａｃａｏ)ꎻ ＡＢＹ８６６６０􀆰１: 陆地棉(Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ ｈｉｒｓｕｔｕｍ)ꎻ ＥＭＳ６１９９０􀆰１: 乌拉尔图小麦(Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ｕｒａｒｔｕ)ꎮ Ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ: 序列同源性ꎮ
同源性≥３３％用灰色表示ꎻ 同源性≥５０％用黄色表示ꎻ 同源性≥７５％用蓝色表示ꎻ 同源性为 １００％用黑色背景表示ꎮ 红色标线分别表
示氨基酸位点第 １~４位、 第 ９９~１０６位、 第 １４０~１４６位、 第 ３９１~３９４位、 第 ３９０~ ４１０位ꎮ
Ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｈｏｍｏｌｏｇｓ ｉｎ ａｔ ｌｅａｓｔ ３３％ ａｒｅ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ ｉｎ ｇｒａｙꎬ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｈｏｍｏｌｏｇｓ ｉｎ ａｔ ｌｅａｓｔ ５０％ ａｒｅ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ ｉｎ ｌｉｇｈｔ ｙｅｌｌｏｗꎬ
ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｈｏｍｏｌｏｇｓ ｉｎ ａｔ ｌｅａｓｔ ７５％ ａｒｅ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ ｉｎ ｂｌｕｅ. Ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄｓ ａｒｅ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ ｉｎ ｂｌａｃｋ. Ｒｅｄ ｌｉｎｅ ｒｅｆｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ
ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｓｉｔｅｓ ａｓ １－４ꎬ １０６－１０６ꎬ １４０－１４６ꎬ ３９１－３９４ꎬ ３９０－４１０ ｉｎ β￣ｔｕｂｕｌｉｎ ｐｒｏｔｅｉｎ.
图 １　 β￣微管蛋白氨基酸序列特征及比对结果
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ β￣ｔｕｂｕｌｉｎ
９８４　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 张 林等: 千里光 β￣微管蛋白基因结构与功能的生物信息学分析
物中的序列具有非常高的保守性ꎮ 同源比对还发
现ꎬ 千里光 β￣微管蛋白的氨基酸序列与柚子(Ｃｉｔ￣
ｒｕｓ ｍａｘｉｍａ)β￣ｔｕｂｕｌｉｎ氨基酸序列(ＧｅｎＢａｎｋ 登录
号: ＡＣＭ７８０３３􀆰１)的同源性最高ꎬ 达 ９６％ꎮ
２􀆰 ２　 理化性质预测分析
经在线软件分析ꎬ 千里光 β￣微管蛋白序列长
度为 ４４８个氨基酸ꎬ 蛋白分子量为 ５０􀆰 ０１ ｋＤꎬ 理
论等电点 ｐＩ 为 ４􀆰 ８３ꎬ 原子组成为 Ｃ２１８５Ｈ３３７５Ｎ６０３
Ｏ６８３Ｓ３１ꎮ 不稳定系数为 ３７􀆰７２ꎬ 表明该蛋白状态稳
定ꎮ 正电荷氨基酸残基(Ａｒｇ ＋ Ｌｙｓ)３８个ꎬ 负电荷
残基(Ａｓｐ ＋ Ｇｌｕ)６１个ꎮ 疏水性结果分析表明ꎬ 最
大疏水值为 ２􀆰１６７ꎬ 在该多肽中说明该处的疏水性
最强ꎻ 亲水峰最大值为－３􀆰 ２５６ꎬ 整个蛋白质表现
出高度的亲水性ꎬ 其平均疏水值为－０􀆰３２０ꎮ
２􀆰 ３　 结构预测
２􀆰 ３􀆰 １　 二级结构预测分析
对千里光的 β￣微管蛋白氨基酸序列进行二级
结构分析ꎬ 结果显示其二级结构中 １３５ 个氨基酸
残基为 α 螺旋结构 ( ａｌｐｈａ ｈｅｌｉｘꎬ ３０􀆰１３％)ꎬ ２２１
个氨基酸残基为无规则卷曲结构 ( ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌꎬ
４９􀆰 ３３％)ꎬ ９２个氨基酸残基为线状结构(ｅｘｔｅｎｄｅｄ
ｓｔｒａｎｄꎬ ２０􀆰 ５４％)ꎬ 表明该蛋白质二级结构的主要
组成部分为无规则卷曲结构和 α螺旋结构ꎮ
２􀆰 ３􀆰 ２　 结构域预测分析
用 ＳＭＡＲＴ软件对 β￣微管蛋白氨基酸序列进行
结构域预测结果显示(图 ２: ａ)ꎬ 该蛋白的 Ｎ 端 Ａ
处为 β￣微管蛋白未知结构位点ꎬ 包含 １ ~ ４６ 位氨
基酸残基ꎻ Ｂ处为微管蛋白结构域(４７~ ２４５)ꎬ 属
于微管蛋白 /细菌 ＦｔｓＺ 家族ꎬ 是 ＧＴＰａｓｅ 结构域ꎬ
该区域可以与 ＧＴＰ 进行结合ꎻ Ｃ 处为微管 Ｃ 端结
构域(２４６~ ３８３)ꎬ 属于微管蛋白 /细菌 ＦｔｓＺ 家族ꎻ
Ｄ处为未知结构位点(３８４ ~ ４３０)结构域ꎻ Ｅ 处为
微复杂结构位点(４３１~ ４４０)ꎻ Ｆ 处为未知结构位
点(４４１~ ４４８)ꎮ 应用ＧｅｎＢａｎｋ对该氨基酸序列进
行保守结构域分析ꎬ 其结果与 ＳＭＡＲＴ 软件分析结
果一致(图 ２: ｂ)ꎬ 均含有 β 结构域和 Ｉｐｈａ Ｎ￣异
丙基羟胺 ２个结构域ꎬ 这 ２个结构域均属于微管蛋
白 /细菌 ＦｔｓＺ家族ꎮ
２􀆰 ３􀆰 ３　 三维结构预测分析
对 β￣微管蛋白三维结构的预测结果显示(图
３)ꎬ 该蛋白包含 ２ 个结构域ꎬ 与结构域预测的结
果一致ꎮ 图 ３中该蛋白微管结构域为类球形结构ꎬ
α螺旋结构位于模型内部ꎬ 表面被无规则卷曲结构
与线状结构环绕ꎬ 能清晰地辨别出蓝色端为 Ｎ 端、
红色端为 Ｃ端ꎻ Ａ 处为微管 Ｃ 端结构域ꎬ 该处可
能为蛋白微管结合蛋白结构域ꎮ
PLN00220Multi-domains
Specific hits beta_tubulin
Superfamilies Tubulin_FtsZ superfamily
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-./%012 Nucleotide bindig site
345%012 Taxol binding site
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Tubulin
!" 6%&C
Tubulin-C
a
b
75 150 225 300 375 4481
0 100 200 300 400
A B C D E F
ａ: ＳＭＡＲＴ预测结果ꎻ ｂ: ＧｅｎＢａｎｋ 数据库分析结果ꎮ Ａ、 Ｂ、 Ｃ、 Ｄ、 Ｅ、 Ｆ 分别代表氨基酸位点第 １ ~４６ 位、 第
４７~ ２４５位、 第 ２４６~ ３８３位、 第 ３８４~ ４３０位、 第 ４３１~ ４４０位、 第 ４４１~ ４４８位ꎮ
ａ: Ｂｙ ｏｎｌｉｎｅ ｓｅｒｖｅｒ ＳＭＡＲＴ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎꎻ ｂ: Ｂｙ ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ＧｅｎＢａｎｋ ｄａｔａｂａｓｅ. Ａꎬ Ｂꎬ Ｃꎬ Ｄꎬ Ｅ ａｎｄ
Ｆ ｒｅｆｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｓｉｔｅｓ １－４６ꎬ ４７－２４５ꎬ ２４６－３８３ꎬ ３８４－４３０ꎬ ４３１－４４０ꎬ ４４１－４４８ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.
图 ２　 结构域预测结果
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｄｏｍａｉｎｓ ｏｆ Ｔｕｂｕｌｉｎ￣ｂｅｔａ
０９４ 植 物 科 学 学 报 第 ３２卷　
α!"#$
alpha helix
%&()#$
random coil
*+#$
extended strand
C
N
A
Ａ: 微管 Ｃ端结构域ꎻ Ｃ: 碳端ꎻ Ｎ: 氮端ꎮ
Ａ ｒｅｆｅｒｓ ｔｏ Ｃ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ Ｔｕｂｕｌｉｎ￣ｂｅｔａꎬ Ｃ ｒｅｆｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｒ￣
ｂｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｌꎬ Ｎ ｒｅｆｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｔｅｒｍｉｎａｌ.
图 ３　 β￣微管蛋白的三维结构模型
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｔｕｂｕｌｉｎ￣ｂｅｔａ
２􀆰 ４　 预测分析亚细胞定位、 功能及信号肽
对目的基因的功能定位进行 Ｐｓｏｒｔ 分析ꎬ 结果
显示 β￣微管蛋白主要定位于细胞的细胞质、 过氧
化物酶体、 线粒体基质等亚细胞器位置ꎮ 通过
ＣＢＳ在线 Ｐｒｏｆｕｎ软件分析其功能ꎬ 结果发现该蛋
白可能具有信号传导、 生长因子、 胁迫应答、 运载
体、 结构蛋白、 阳离子通道等功能(表 １)ꎮ 对 β￣微
管蛋白进行信号肽预测ꎬ 得分最高的是第 １４５ 位
氨基酸残基ꎬ 分值达 ０􀆰１５３ꎬ 即该处为最有可能的
原始剪切位点ꎻ具有最高信号肽预测得分的是第
表 １　 β￣微管蛋白功能预测结果
Ｔａｂｌｅ １　 Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｕｂｕｌｉｎ￣ｂｅｔａ
ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎ Ｓ. ｓｃａｎｄｅｎｓ
功能分类
Ｇｅｎｅ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｃａｔｅｇｏｒｙ
预测值
Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ
概率
Ｏｄｄｓ.
生长因子 Ｇｒｏｗｔｈ ｆａｃｔｏｒ ０􀆰 ００７ ０􀆰 ５２０
胁迫应答 Ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ０􀆰 ０３２ ０􀆰 ３６８
免疫应答 Ｉｍｍｕｎｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ０􀆰 ０１２ ０􀆰 １３７
结构蛋白 Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｒｏｔｅｉｎ ０􀆰 ０１０ ０􀆰 ３４２
运载体 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ ０􀆰 ０２５ ０􀆰 ２３３
离子通道 Ｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ０􀆰 ０１０ ０􀆰 １６９
阳离子通道 Ｃａｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ０􀆰 ０１０ ０􀆰 ２１５
电压门控离子通道 Ｖｏｌｔａｇｅ ｇａｔｅｄ ｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ０􀆰 ００５ ０􀆰 ２０６
受体 Ｒｅｃｅｐｔｏｒ ０􀆰 ００３ ０􀆰 ０１９
荷尔蒙 Ｈｏｒｍｏｎｅ ０􀆰 ００１ ０􀆰 ２０６
信号传导 Ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ０􀆰 ０５２ ０􀆰 ２４１
金属离子转移 Ｍｅｔａｌ ｉｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ０􀆰 ００９ ０􀆰 ０２０
２７６位氨基酸残基ꎬ 分值为 ０􀆰 ２８４ꎻ 最有可能的综
合剪切位点是第 ２８０位ꎬ 分值为 ０􀆰１３４ꎮ 判断是否
为分泌蛋白的标准是 ｍｅａｎ Ｓ￣ｓｃｏｒｅ > ０􀆰 ５ꎬ β￣微
管蛋白未达到该数值ꎬ 说明该蛋白不是分泌蛋白ꎬ
也表明该蛋白是在细胞内表达后直接在胞内起生理
作用的蛋白ꎮ
３　 讨论
对千里光 β￣微管蛋白的核苷酸和氨基酸序列
分析表明ꎬ 该蛋白是相对保守的结构蛋白ꎮ 千里光
β￣微管蛋白的氨基酸序列与其它植物的同源性均在
９０％以上ꎬ 与柚子(Ｃｉｔｒｕｓ ｍａｘｉｍａ)β￣ｔｕｂｕｌｉｎ 氨基
酸序列(ＡＣＭ７８０３３􀆰１)的同源性高达 ９６％ꎮ 图 １
红色标记部分表明该蛋白质的氨基酸序列一级结构
Ｎ端１~ ４位为 ＭＲＥＩꎬ 是 β￣微管蛋白转录后调控信
号片段ꎬ 第 １４０~１４６ 位含有 ＧＧＧＴＧＳＧ 结构域ꎬ
具有微管蛋白标志信号片段ꎬ 该结构域也是 ＧＴＰ
核苷酸结合位点ꎬ 是 α、 β 两种微管蛋白聚合的必
要结构[１３]ꎻ 其含有的第 ３９１ ~ ３９４ 位 ＲＫＡＦ 在 β￣
微管蛋白多肽折叠中也起着重要作用[７]ꎻ 研究表
明 α、 β￣微管蛋白都含有微管蛋白 ２个保守区ꎬ 第
９９~１０６位 ＮＮＷＡＫＧＨＹ与第 ３９０~４１０位 ＲＫＡＦＬ￣
ＨＷＹＴＧＥＧＭＤＥＭＥＦＴＥꎬ 其第 Ｙ３９７位在千里光 β￣微
管蛋白中为 Ｃ３９７位ꎬ 验证了 β￣微管蛋白基因在不
同生物类群之间既有很高的保守性又存在一定的变
异性[１４－１６]ꎮ
蛋白质结构是功能的基础ꎬ 根据分析结果ꎬ 千
里光 β￣微管蛋白二级结构含有无规则卷曲结构ꎬ
理化性质表现出高度亲水性ꎬ 推测该蛋白可能有以
下功能: (１)作为水分结合蛋白减少水分丧失ꎻ
(２)作为水合缓冲剂调节水状态ꎻ (３)作为水基质
或替代物同大分子表面反应ꎬ 阻止脱水组织中蛋白
质的失活[１７]ꎮ
对千里光 β￣微管蛋白的保守结构域预测表明ꎬ
该蛋白有 ２个高度保守的结构域ꎬ 即微管结构域和
Ｃ端结构域ꎬ 均属于微管蛋白 /细菌 ＦｔｓＺ 家族ꎮ 该
蛋白微管结构域含有 ＧＴＰ 核苷酸结合位点ꎬ 是微
管蛋白保守较强结构域ꎻ 其 Ｃ 端结构域在三级结
构中由小球状体组成不规则结构 (图 ３ 中 Ａ、 Ｃ
处)ꎬ 据报道ꎬ 很多微管结合蛋白是通过结合微管
１９４　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 张 林等: 千里光 β￣微管蛋白基因结构与功能的生物信息学分析
末端起微调控作用的[１８]ꎬ 推测该处为微管结合蛋
白功能行使的重要位点ꎮ 植物微管蛋白行使功能ꎬ
除需要其自身组成微管蛋白ꎬ 还需要与微管蛋白相
结合的微管结合蛋白的参与[１９]ꎬ 微管结合蛋白能
结合调配微管装配ꎬ 进行数次聚合—解聚循环ꎬ
仍能结合于微管蛋白[２０] ꎬ 可见其与微管蛋白关系
紧密ꎮ
本研究首次对千里光 β￣微管蛋白基因进行
了生物信息学分析ꎬ 为进一步阐明微管蛋白的
作用机制及功能应用奠定了理论基础ꎬ 为植物
β￣微管蛋白基因的分子研究提供了理论依据及基
础资料ꎮ
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ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｇｒｏｕｐ １ ｌａｔｅ ｅｍｂｒｙｏｇｅｎｅｓｉｓ ａｂｕｎ￣
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(责任编辑: 张 平)
２９４ 植 物 科 学 学 报 第 ３２卷