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Identification and Sequence Analysis of DGAT2s in Four Plants under the Scenario of Gene Family

在基因家族背景下对四种植物中DGAT2的鉴定和序列分析



全 文 :植物科学学报  2015ꎬ 33(2): 186~194
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 11913 / PSJ􀆰 2095-0837􀆰 2015􀆰 20186
在基因家族背景下对四种植物中 DGAT2的鉴定和序列分析
陈振玺1ꎬ2ꎬ 王 鹏2ꎬ 盖江涛2ꎬ 王奇志1∗
(1􀆰 华侨大学化工学院ꎬ 福建厦门 361021ꎻ 2􀆰 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所ꎬ 海南儋州 571737)
摘  要: 二酰甘油酰基转移酶 2(Diacylglycerol O ̄acyltransferase 2ꎬ DGAT2)是植物中三羧酸甘油酯(TAG)合
成途径的限速酶ꎬ 其编码基因属于酰基转移酶基因超家族ꎮ 本研究依托植物全基因组数据库 Phytozomeꎬ 通过
BLAST搜索获得了蓖麻(Ricinus communis L.)、 拟南芥(Arabidopsis thaliana Heynh.)、 毛果杨(Populus tricho ̄
carpa Torr. & A. Gray.)和木薯(Manihot esculenta Crantz.)4种双子叶植物酰基转移酶基因超家族所编码的 73
条多肽序列ꎬ 并从中鉴定出 5条 DGAT2序列ꎮ 理化性质和跨膜结构域分析表明ꎬ 5 条 DGAT2 序列均为疏水性
跨膜蛋白ꎬ 其中木薯 DGAT2为一次跨膜蛋白且在叶绿体膜中大量分布ꎬ 这与其他植物的 DGAT2序列存在差异ꎻ
木薯 DGAT2蛋白在进化过程中发生了功能分化且可能与木薯的抗逆作用有关ꎮ
关键词: DGAT2ꎻ 三酰甘油ꎻ 限速酶ꎻ 基因家族
中图分类号: Q349          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2015)02 ̄0186 ̄09
      收稿日期: 2014 ̄06 ̄17ꎬ 退修日期: 2014 ̄07 ̄21ꎮ
  基金项目: 中央级科研单位基本科研业务费重点项目(1630032014013)ꎻ 国家标本平台教学标本子平台建设(2005DKA21403 ̄JK)ꎮ
  作者简介: 陈振玺(1991-)ꎬ 男ꎬ 硕士ꎬ 研究方向为基因组数据挖掘与分析(E ̄mail: ginseachen@hotmail􀆰 com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: wqz@hqu􀆰 edu􀆰 cn)ꎮ
Identification and Sequence Analysis of DGAT2s in
Four Plants under the Scenario of Gene Family
CHEN Zhen ̄Xi1ꎬ2ꎬ WANG Peng2ꎬ GAI Jiang ̄Tao2ꎬ WANG Qi ̄Zhi1∗
(1. College of Chemical Engineeringꎬ Huaqiao Universityꎬ Xiamenꎬ Fujian 361021ꎬ Chinaꎻ 2. Tropical Crops Genetic
Resources Instituteꎬ Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciencesꎬ Danzhouꎬ Hainan 571737ꎬ China)
Abstract: DGAT2ꎬ a rate ̄limiting enzyme of the TAG biosynthesis pathwayꎬ was coded by the
acyltransferase supergene family. Genome ̄wide analysis revealed 73 acyltransferase
supergene family members and five DGAT2s in the genomes of Ricinus communis L.ꎬ
Arabidopsis thaliana Heynh.ꎬ Populus trichocarpa Torr. & A. Gray. and Manihot esculenta
Crantz. based on the whole genome database Phytozome. Analysis of the physical and
chemical properties and transmembrane domains indicated that DGAT2s were hydrophobic
transmembrane proteinsꎬ and DGAT2s of M􀆰 esculenta differed from the others due to their
single transmembrane domain and wide chloroplast membrane distribution. We concluded that
functional differentiation of M􀆰 esculenta DGAT2s may exist and DGAT2s may be involved in
the anti ̄stress pathways in M􀆰 esculenta.
Key words: Diacylglycerol O ̄acyltransferase 2 (DGAT2)ꎻ Triacylglycerol ( TAG)ꎻ Limiting ̄
rate enzymeꎻ Gene family
    三羧酸甘油酯又称甘油三酯(Triacylglycerolꎬ
TAG) [1]ꎬ 是植物细胞中的主要储能物质[2]ꎬ 在植
物种子和花粉的萌发、 叶片代谢等多种生理发育过
程中起重要作用[3ꎬ4]ꎮ 此外ꎬ TAG还是人类必需脂
肪酸(essential FAs)摄入的一个重要来源ꎬ 与人
类的健康息息相关[5]ꎮ 故 TAG 一直都是国内外学
者研究的一个热点ꎬ 而作为其根本来源的生物合成
途径也受到学者们的广泛关注[6ꎬ7]ꎮ
二酰甘油酰基转移酶(Diacylglycerol O ̄acyl ̄
transferaseꎬ DGAT)是植物中 TAG 合成途径的限
速酶[8]ꎬ 主要催化二酰甘油生成 TAG 的酰基转移
反应ꎮ 目前已知的 DGAT 主要有 3 种[5]ꎬ 分别为
DGAT1、 DAGT2 和 DGAT3ꎮ 其 中 DGAT1 和
DGAT2为疏水性跨膜蛋白ꎬ DGAT3[9]为可溶性蛋
白ꎮ 这 3种 DGAT 蛋白虽然催化同一反应ꎬ 但却
不具有同源性且由不同家族的基因编码[5ꎬ10]ꎮ
DGAT1基因与酰基辅酶 A: 胆固醇酰基转移酶
(Acyl ̄CoA: cholesterol acyltransferaseꎬ ACAT)
基因具有较高的同源性ꎬ 同属于膜骨架氧酰基转移
酶(membranebound o ̄acyltransferasesꎬ MBOAT)
基因家族[11ꎬ12]ꎮ DGAT2基因则与酰基辅酶 A: 单
酰甘油酰基转移酶(Acyl ̄CoA: monoacylglycerol
acyltransferaseꎬ MGAT)基因的同源性较高[13]ꎬ
同属于酰基转移酶(acyltransferase)基因超家族ꎮ
而关于 DGAT3基因的研究和报道均较少ꎬ 其序列
与 DGAT1、 DGAT2之间的差异较大ꎬ 同源性不足
10%[5ꎬ9]ꎮ
DGAT1在植物油脂合成以及种子、 花粉萌发
等多种生理代谢过程中具有重要作用ꎬ 沉默和过表
达 DGAT1基因均会导致植物中 TAG 的含量发生
显著变化[3ꎬ5ꎬ14]ꎮ Shockey 等[15]对油料作物油桐
(Vernicia fordii Airy Shaw.)的 DGAT1 和 DGAT2
蛋白序列进行了比较分析ꎬ 发现二者处于内质网的
不同区域中且功能没有出现重叠ꎮ 此外ꎬ Zhang
等[3]通过对拟南芥(Arabidopsis thaliana Heynh.)
正常植株和 DGAT1 突变植株中 DGAT2 基因敲除
研究发现ꎬ TAG含量未发生显著变化ꎬ 因此认为
拟南芥 DGAT2可能不具有酰基转移酶活性ꎮ 这与
前人在含有特殊结构脂肪酸植物中的研究结果不
同ꎬ 如蓖麻(Ricinus communis L.) [16]、 油桐[15]
和紫苑草(Vernonia galamensis L.) [17]的 DGAT2
蛋白均表现出明显的酰基转移酶催化活性且对特殊
结构脂肪酸具有显著的底物亲和性ꎮ Zhou等[18]通
过瞬态表达( transiently expression)技术在本氏烟
草(Nicotiana benthamiana Domain.)叶片中成功
表达拟南芥 DGAT1 基因和 DGAT2 基因ꎬ 结果表
明拟南芥 DGAT2基因不仅具有显著的特殊结构脂
肪酸底物特异性ꎬ 还能够显著增加叶片中 TAG 的
含量ꎮ 相对于 DGAT1 和 DGAT2ꎬ 可溶性蛋白
DGAT3的研究报道较少ꎬ 目前仅在花生(Arachis
hypogaea L.) [9]、 油桐[19] 和粘红酵母 ( Rhodo ̄
torula glutinis Elad.) [20]等物种中被克隆、 鉴定ꎮ
本文拟选取双子叶模式植物拟南芥、 含有特殊
结构脂肪酸的大戟科油料作物蓖麻、 大戟科热带粮
食作物木薯(Manihot esculenta Crantz.)以及木本
模式植物毛果杨 ( Populus trichocarpa Torr. &
Gray.)为研究对象ꎬ 以其全基因组数据库 Phyto ̄
zome为依托ꎬ 通过 BLASTP搜索获得这 4 种植物
中酰基转移酶基因超家族编码的全部多肽序列ꎻ 通
过系统发育分析并以功能已知的拟南芥和蓖麻
DGAT2序列为参考ꎬ 于大量多肽序列中筛选、 鉴
定得到木薯和杨树的 DGAT2 序列ꎬ 并对其进行理
化性质、 基因结构、 跨膜结构域和亚细胞定位等生
物信息学分析ꎮ 旨在从生物信息学的角度揭示这 4
种植物中 DGAT2 蛋白的序列特征ꎬ 为植物
DGAT2的功能研究提供一定的数据支持ꎮ
1  材料与方法
1􀆰 1  数据库搜索
从植物全基因组数据库 Phytozome v9􀆰 1(ht ̄
tp: / / www.phytozome.net)中获取拟南芥、 蓖麻、
毛果杨和木薯的全基因组注释信息ꎬ 并将从 NCBI
数据库(http: / / www.ncbi.nlm.nih.gov / protein / )
中下载的功能已知的蓖麻 DGAT2序列(Accession
No.: ACB30544􀆰 1) [18]作为靶序列ꎬ 在上述 4 种
植物的全基因组数据库中进行 BLASTP 搜索ꎮ 为
检索到与靶序列同源度较低的蛋白ꎬ E 值设为 50ꎻ
对获得的候选序列于 Pfam数据库中进行结构域验
证ꎬ 并将含有二酰甘油酰基转移酶结构域
(CL0228)的序列确定为酰基转移酶基因超家族成
员并以此构建新的搜索靶序列集ꎬ 重复上述操作ꎬ
直至无新的序列出现为止ꎮ
1􀆰 2  多序列比对分析
用 Probcons软件[21]对获得的多肽序列进行
多序列比对ꎬ 并将结果保存为 fasta 格式ꎻ 再在
MEAG6􀆰 0软件[22]中对结果进行手动调整ꎬ 调整
后的序列保存为 nexus格式以备后续分析ꎮ
1􀆰 3  系统发育分析
采用 Mrbayes version 3􀆰 1􀆰 2软件[23]进行系统
781  第 2期                陈振玺等: 在基因家族背景下对四种植物中 DGAT2的鉴定和序列分析
发育分析: 选取 106 代、 4 条马尔科夫链(Markov
chains)、 取样频率为 1000ꎬ 其余参数均为软件默
认值ꎻ 当 split frequencies 小于 0􀆰 01 时程序终止
运行ꎮ 获得的系统发育树在 Figtree version 1􀆰 3􀆰 1
软件中进行美化修饰处理ꎮ
1􀆰 4  蛋白质的生物信息学分析
采用 ProtParam tool ( http: / / web. expasy.
org / protparam / ) 在线工具预测分析蛋白质的理化
性质ꎻ 用 TMHMM ( http: / / www. cbs. dtu. dk /
services / TMHMM-2􀆰 0 / )预测蛋白质的跨膜结构ꎻ
蛋白质的亚细胞定位在 WoLF PSORT ( http: / /
wolfpsort. org) 中完成ꎻ 采用 signalP 4􀆰 1server
(http: / / www. cbs. dtu. dk / services / SignalP / )进
行蛋白质信号肽的预测ꎮ 由于目前还未有研究报道
DGAT2蛋白的三级结构ꎬ 因此无法完成对其三级
结构的同源建模分析ꎮ
2  结果与分析
2􀆰 1  酰基转移酶基因超家族的序列收集
通过 BLASTP的方法共搜索得到 73 条酰基转
移酶基因超家族编码的氨基酸序列(图 1)ꎬ 其中拟
南芥有 14 条、 杨树 21 条、 木薯 23 条、 蓖麻 15
条ꎮ 理化性质分析显示ꎬ 酰基转移酶基因超家族编
码蛋白以碱性为主(78%)ꎬ 在哺乳动物中的半衰
期均为 30 hꎮ 亲水性分析发现ꎬ 疏水性蛋白
(GRAVY >0)约占总蛋白的 68%ꎮ 稳定性分析显
示ꎬ 不稳定性系数( instability index)小于 40 的蛋
白质占总蛋白的 23%ꎬ 其中蓖麻中酰基转移酶基
因超家族蛋白 30803􀆰 m000024 不稳定系数最小
(30􀆰 33)ꎬ 其等电点(pI =10􀆰 59)也远高于其他蛋
白质ꎮ
2􀆰 2  DGAT2预测分析
蓖麻和拟南芥中的 DGAT2 编码序列均为单拷
贝基因ꎬ 对应的基因 ID 分别为 29682􀆰 m000581
和 AT3G51520􀆰 1ꎮ 由图 1 可知ꎬ AT3G51520􀆰 1 与
29682􀆰 m000581以较高的后验概率(PP =1)聚为
一枝ꎮ 此外ꎬ 该分枝中还分别出现了 2条木薯序列
(cassava4􀆰1_013523m 和 cassava4􀆰1_028223m)
和一条杨树序列(Potri􀆰 011G145900􀆰 1)ꎬ 我们推
测这 3条序列可能为 DGAT2 序列ꎬ 暂时将该分枝
命名为 DGAT2分枝ꎮ
为进一步验证这一推测ꎬ 用 SIAS ( http: / /
imed. med. ucm. es / Tools / sias. html)在线工具对
蓖麻 DGAT2 序列和其他酰基转移酶基因超家族
编码的多肽序列进行了序列相似性分析ꎬ 结果表
明蓖麻 DGAT2 与 DGAT2 分枝的同源度( identity
valuesꎬ 81􀆰 47% ~ 85􀆰35%) 远 高 于 其 他 分 枝
(44􀆰 71%~71􀆰52%)ꎮ
由 DGAT2分枝及其近缘枝序列的系统发育关
系和基因结构可知(图 2)ꎬ DGAT2 分枝中的 5 条
序列以很高的后验概率(PP=1)聚在一起且其基因
结构中均含有 8~9个外显子ꎬ 而 DGAT2分枝的近
缘枝序列含有 4~14 个外显子ꎮ Liu 等[5]认为在真
核生物中除真菌和线虫(Caenorhabditis elegans
Maupas.)以外ꎬ 其余物种 DGAT2 序列的编码基
因最多含有 8~9 个外显子ꎬ 这也进一步佐证了本
文对杨树和木薯中 DGAT2序列推测结果的准确性ꎮ
为方便后续分析ꎬ 我们将 cassava4􀆰 1_ 0282 ̄
23m、 cassava4􀆰 1_ 013523m、 Potri. 011G145900. 1、
29682􀆰 m000581、 AT3G51520􀆰 1 这 5 条 DGAT2
序列分别命名为 MesDGAT2A(Manihot esculenta
Crantz.)、 MesDGAT2B、 PtrDGAT2 (Populus tri ̄
chocarpa Torr. & A. Gray.)、 RcoDGAT2(Ricinus
communis L.)、 AthDGAT2(Arabidopsis thaliana
Heynh.)ꎮ 这 4种植物中除木薯有 2 条 DGAT2 蛋
白序列外ꎬ 其余 3种植物的 DGAT2 编码基因均为
单拷贝基因ꎮ
2􀆰 3  DGAT2序列的生物信息学分析
一般而言ꎬ 亲水性系数(GRAVY 值)大于 0 则
表示对应的蛋白质为疏水性蛋白[20]ꎮ 我们对拟南
芥、 蓖麻、 毛果杨、 木薯 4 种植物的 DGAT2 多肽
序列进行了理化性质(表 1)、 多序列比对、 跨膜结
构域以及亚细胞定位分析ꎬ 结果表明 DGAT2 均为
碱性蛋白质(pI >7)且其平均亲水性系数(GRAVY
值)介于 0􀆰166 ~0􀆰346 之间ꎬ 这与前人的研究一
致[5]ꎮ 也正是由于 DGAT2蛋白是具有很强的疏水
性的跨膜蛋白ꎬ 才使其三级结构的鉴定成为一个研
究难点ꎬ 目前还未见报道ꎮ 此外ꎬ 稳定性分析表
明ꎬ 除 AthDGAT2和 PtrDGAT2蛋白质序列不稳定
系数大于 40之外ꎬ 其余 3 条序列的不稳定系数均
881 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
Ath_AT1G51260.1
Ptr_Potri.001G259200.1
Rco_30169.m006433
Ath_AT3G57650.1
Ptr_Potri.006G055000.1
Ptr_Potri.016G053000.1
Mes_cassava4.1_014282m
Mes_cassava4.1_014620m
Mes_cassava4.1_014647m
Rco_27810.m000646
Ptr_Potri.009G054500.1
Rco_30169.m006432
Ath_AT1G75020.1
Ptr_Potri.002G133100.1
Ptr_Potri.014G040600.1
Mes_cassava4.1_024286m
Mes_cassava4.1_027835m
Rco_30170.m013990
Ath_AT3G18850.1
Ptr_Potri.009G112300.1
Mes_cassava4.1_009731m
Mes_cassava4.1_011030m
Rco_29851.m002448
Ptr_Potri.002G192600.1
Ath_AT1G78690.1
Ptr_Potri.011G146800.1
Mes_cassava4.1_013592m
Rco_29682.m000590
Ath_AT3G05510.1
Ptr__Potri.005G025400.1
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Mes_cassava4.1_007049m
Rco_30128.m008828
Ath_AT1G80950.1
Ptr_Potri.002G134100.1
Ptr_Potri.014G042200.1
Rco_30170.m014002
Ath_AT2G45670.1
Ptr_Potri.002G151800.1
Ptr_Potri.014G074300.1
Mes_cassava4.1_004651m
Mes_cassava4.1_022185m
Rco_30174.m008937
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Ath_AT5G60620.1
Ptr_Potri.004G183300.1
Ptr_Potri.009G143200.1
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Rco_30122.m000357
Ath_AT4G30580.1
Ptr_Potri.006G183700.1
Mes_cassava4.1_014002m
Mes_cassava4.1_014015m
Rco_29687.m000572
Ptr_Potri.011G138900.1
Mes_cassava4.1_012802m
Mes_cassava4.1_015616m
Rco_29666.m001430
Ath_AT3G26820.1
Ath_AT3G26840.1
Ptr_Potri.005G046700.6
Mes_cassava4.1_013523m
Mes_cassava4.1_028636m
Ath_AT3G51520.1
Ptr_Potri.011G145900.1
Rco_29682.m000581
Mes_cassava4.1_028223m
Mes_cassava4.1_034096m
Mes_cassava4.1_031165m
Rco_30068.m002660
Ath_AT1G32200.1
Ptr_Potri.001G136600.1
0.75
0.88
0.58
1
1
1
1
1
1 1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0.6
1
1
1
1
1
11
1
1
1
1
1
1
0.86
1
0.8
0.83
0.6
0.99
0.99
0.99
0.99
0.57
0.89
0.72
0.55
0.55
0.81
0.98
0.55
0.94
0.89
0.56
0.75
0.87
0.76
0.94
0.83
0.3
Ath: 拟南芥ꎻ Mes: 木薯ꎻ Rco: 蓖麻ꎻ Ptr: 毛果杨ꎮ 不同节点上的数字表示该节点后验概率的大小ꎮ 蓝色分枝为
DGAT2分枝ꎬ 红色表示已经鉴定功能的 DGAT2序列ꎮ
Ath: Arabidopsis thalianaꎻ Mes: Manihot esculentaꎻ Rco: Ricinus communisꎻ Ptr: Populus trichocarpa. Different val ̄
ues of the nodes indicate the posterior probability of each node. The DGAT2 clade is highlighted in blueꎬ and red in ̄
dicates experimentally characterized DGAT2 sequences.
图 1  酰基转移酶基因超家族多肽序列系统发育树
Fig􀆰 1  Phylogenetic tree of peptide sequences from the acyltransferase supergene family
981  第 2期                陈振玺等: 在基因家族背景下对四种植物中 DGAT2的鉴定和序列分析
0kb 1kb 2kb 3kb 4kb 5kb 6kb 7kb 8kb 9kb
Cassava4.1_028223m
Cassava4.1_034096m
29682.m000581
Potri.011G1459001
AT3G51520.1
Potri.005G0467006
Cassava4.1_013523m
Cassava4.1_028636m
AT3G26820.1
AT3G26840.1
AT3G57650.1
0.2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0.99
1
1
1
1
1
1
1
1
            黑色方块表示外显子ꎬ 直线表示内含子ꎬ AT3G57650􀆰1为外类群ꎮ
            Black boxes and lines represent exons and intronsꎬ respectively. AT3G57650􀆰1 is the outgroup.
图 2  DGAT2分枝与其近缘枝序列的基因结构和系统发育分析
Fig􀆰 2  Phylogenetic tree and gene structure of the DGAT2 clade and its relative clades
表 1  五条 DGAT2蛋白的理化性质分析
Table 1  Physical and chemical properties analysis of five DGAT2 sequences
序列
Sequence
等电点
Isoelectric point
相对分子质量
Molecular weight
半衰期
Half life
(h)
不稳定系数
Instability index
脂肪族氨基酸指数
Aliphatic index
平均亲水性
Grand average
of hydropathy
AthDGAT2 9.00 35845.0 30 43.43 97.77 0.190
PtrDGAT2 8.84 37027.6 30 45.55 105.78 0.346
RcoDGAT2 8.94 38662.0 30 39.65 95.97 0.142
MesDGAT2A 9.47 37423.1 30 37.82 98.90 0.166
MesDGAT2B 9.27 36870.3 30 32.55 95.67 0.238
小于 40ꎮ 一般认为ꎬ 不稳定系数小于 40的蛋白质
是稳定的[24]ꎮ
对 4 种植物中 DGAT2 的序列比对分析表明ꎬ
5条 DGAT2蛋白之间的序列分化较低(图 3)ꎮ Liu
等[5]对动物、 植物和真菌的 DGAT2蛋白序列进行
了比对分析ꎬ 共发现了 4 个保守基团ꎬ 分别为
YFP、 (H / E) PH(G / S)、 GGXXE 和 RXGFX (K /
R)XAXXXGXXL(L / V) VPXXXFG(E / Q)ꎮ 大戟科
植物蓖麻和木薯的 YFP 保守基团中第一个氨基酸
位点由酪氨酸变为组氨酸ꎬ 这与其他动植物和真菌
中的研究结果不同[5]ꎮ 此外ꎬ 在大戟科植物木薯
和蓖麻 DGAT2的 N ̄端区域检测到了一段包含 3~6
个位点的天冬氨酸簇ꎬ 但在杨树和拟南芥 DGAT2
序列中并未发现ꎮ
对拟南芥、 蓖麻、 毛果杨、 木薯中 DGAT2 蛋
白的跨膜结构域预测结果(图 4)显示ꎬ 4 种植物的
5条 DGAT2 蛋白均为跨膜蛋白ꎻ 除 MesDGAT2A
和 MesDGAT2B含有一个跨膜结构域以外ꎬ 其余
DGAT2均含有两个跨膜结构域ꎮ Stone 等[25]发现
小鼠 DGAT2蛋白 N ̄端附近含有两个跨膜结构域且
N ̄端和 C ̄端均位于胞质溶胶中ꎬ 本文中杨树、 蓖
麻和拟南芥 DGAT2的膜拓扑结构与之一致(图 4)ꎮ
信号肽预测表明ꎬ 拟南芥和杨树的 DGAT2 序
列 N ̄端均有一段信号锚定序列(signal anchor se ̄
quence)ꎬ 且其对应的预测概率分别为 0􀆰 996 和
1􀆰 000ꎻ 而大戟科植物木薯和蓖麻的 DGAT2 序列
N ̄端并未发现信号肽(signal peptide)和信号锚定
序列的存在ꎮ
091 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
AthDGAT2
MesDGAT2A
MesDGAT2B
RcoDGAT2
PtrDGAT2
!"#$
AthDGAT2
MesDGAT2A
MesDGAT2B
RcoDGAT2
PtrDGAT2
!"#$
AthDGAT2
MesDGAT2A
MesDGAT2B
RcoDGAT2
PtrDGAT2
!"#$
AthDGAT2
MesDGAT2A
MesDGAT2B
RcoDGAT2
PtrDGAT2
!"#$
黑色背景表示相似度为 100%的氨基酸位点ꎬ 黑色线条表示 Liu等[5]报道的保守基团ꎬ 黑色方框表示 N ̄端区域的天冬氨酸残基ꎮ
Black background indicates 100% identity value amino acid sitesꎬ black lines represent conserved motifs as reported by Liu et al [5] ꎬ
and the black box shows the aspartate residues in the N ̄terminal of MesDGAT2Aꎬ MesDGAT2B and RcoDGAT2.
图 3  DGAT2蛋白的序列比对分析
Fig􀆰 3  Alignment analysis of DGAT2s
34
56
① ②
39
61
#$%&(Outside)
$()(Inside)
39
61
88
66

① MesDGAT2A; ② MesDGAT2B; ③ RcoDGAT2; ④ AthDGAT2; ⑤ PtrDGAT2
15
37
61
39

27
49
75
53

$(-
内质网膜两侧的数字表示蛋白质跨膜结构域的起始和终止氨基酸位点ꎮ
Numbers on both sides of the endoplasmic reticulum membrane represent initiation site and termination site of the transmem ̄
brane domain.
图 4  四种双子叶植物 DGAT2蛋白的跨膜结构域分析
Fig􀆰 4  Transmembrane domain analysis of DGAT2s in four dicots
    4 种双子叶植物中 DGAT2 蛋白的亚细胞定位
分析(表 2)和跨膜结构域分析(图 4)表明ꎬ Mes ̄
DGAT2B、 RcoDGAT2、 AthDGAT2、 PtrDGAT2
是镶嵌在质膜中的跨膜蛋白ꎬ MesDGAT2A 则是主
要镶嵌在叶绿体膜上的跨膜蛋白ꎮ 此外ꎬ 木薯中的
2条 DGAT2蛋白出现了互补分布的趋势ꎬ 他们除
在叶绿体膜中同时存在以外ꎬ 还在其他亚细胞中单
独存在ꎮ
3  讨论
DGAT蛋白是油脂合成中一类重要的活性物
质ꎮ 除 DGAT3 以外ꎬ DGAT 均含有跨膜结构域ꎬ
为典型的跨膜蛋白ꎮ 与大多数疏水性跨膜蛋白一
样ꎬ DGAT通过信号识别颗粒( signal recognition
particleꎬ SRP)镶嵌在生物膜中ꎮ Stone 等[25]认为
位于胞质溶胶中的 DGAT 蛋白参与了其中 TAG 沉
积形成脂肪小滴 ( lipid droplets) 的反应ꎻ 小鼠
DGAT2蛋白 N ̄端和 C ̄端的大部分区域均处于胞质
溶胶中ꎬ 可能与胞质溶胶中 TAG 的沉积反应有
关[5]ꎮ 本研究对 4种植物中 5条 DGAT2蛋白进行
的跨膜结构域分析(图 4)表明ꎬ 杨树、 蓖麻、 拟南
芥的 DGAT2 蛋白与小鼠 DGAT2 蛋白膜拓扑结构
191  第 2期                陈振玺等: 在基因家族背景下对四种植物中 DGAT2的鉴定和序列分析
表 2  四种双子叶植物 DGAT2蛋白的亚细胞定位分析
Table 2  Subcellular localization prediction of DGAT2s in four dicots
序列 ID
ID of sequences
细胞核
Nucl
质膜
Plas
胞外
Extr
细胞质
Cyto
线粒体
Mito
内质网
E.R
过氧化物酶体
Pero
高尔基体
Golg
叶绿体
Chlo
液泡
Vacu
MesDGAT2A 0.24 - 0.49 - - 1.87 - 0.41 6.65 0.34
MesDGAT2B - 4.10 - - 1.60 - 1.85 - 2.45 -
RcoDGAT2 1.09 6.64 - - 1.61 - 0.67 - - -
AthDGAT2 - 7.33 - 0.15 - 0.36 1.10 1.06 - -
PtrDGAT2 0.01 9.91 - - - 0.07 - - - -
注: “-” 表示对应序列在该亚细胞中不存在ꎮ
Notes: “-” indicates the corresponding sequence not located on this subcellular structure. Nucl: Nucleusꎻ Plas: Plasmalemmaꎻ
Extr: Extracellularꎻ Cyto: Cytoplasmꎻ Mito: Mitochondrionꎻ E.R: Endoplasmic reticulum (ergastoplasm)ꎻ Pero: Peroxisomeꎻ
Golg: Golgisꎻ Chlo: Chloroplastꎻ Vacu: Vacuole.
相似ꎬ 因此推测 PtrDGAT2、 RcoDGAT2 和 Ath ̄
DGAT2可能参与了胞质溶胶中的 TAG沉积反应ꎮ
对拟南芥、 蓖麻、 毛果杨、 木薯 4 种植物
DGAT2蛋白的数据库进行搜索及序列鉴定与分析
中发现ꎬ 木薯含有 2条 DGAT2 蛋白ꎬ 这与大多数
植物中的单拷贝现象不符[15ꎬ16ꎬ26]ꎮ 但对 5 条
DGAT2蛋白的同源度分析、 基因结构分析和多序
列比对分析均证明本研究对 DGAT2 蛋白推测的准
确性ꎬ 因此认为木薯中 DGAT2 编码基因可能在木
薯进化形成之后发生了基因复制事件ꎮ
YFP残基是位于 DGAT2蛋白 N ̄端跨膜结构域
附近的 3个氨基酸位点ꎬ 为动植物和真菌中所共有
的保守区域[5]ꎬ 酵母中 YFP 残基的突变导致了酵
母 DGAT2 活性的显著下降ꎬ 因此该残基可能与
DGAT2蛋白的活性有关[27]ꎮ 在对拟南芥、 蓖麻、
毛果杨、 木薯 4种植物 DGAT2 蛋白的多序列比对
中发现ꎬ 大戟科植物蓖麻和木薯中 YFP 残基的第
一个氨基酸位点由酪氨酸变为组氨酸ꎬ 但这一变化
所导致的生理差异还未见研究报道ꎬ 值得后期的进
一步关注ꎮ
对 4种植物中 DGAT2蛋白的亚细胞定位分析
显示ꎬ 除木薯的 DGAT2蛋白在叶绿体膜中有分布
以外ꎬ 拟南芥、 蓖麻、 毛果杨的 DGAT2 均未在叶
绿体膜中发现ꎮ Martin 等[28]对 DGAT 的亚细胞定
位分析显示ꎬ 叶片细胞的叶绿体中也存在 DGAT
活性ꎬ 且在胁迫条件下催化叶绿体中的 TAG 合成
反应[29ꎬ30]ꎬ 因此我们推测 MesDGAT2A 和 Mes ̄
DGAT2B 可能与木薯的抗逆反应有关ꎮ 此外ꎬ
MesDGAT2A和 MesDGAT2B 除共同定位于叶绿
体膜中以外ꎬ 在其他细胞器中均是单独存在的ꎮ 跨
膜结构域分析表明ꎬ MesDGAT2A和 MesDGAT2B
均含有一个跨膜结构域ꎬ 为一次跨膜蛋白且 N ̄端
位于内质网腔内ꎬ 与小鼠以及其他植物(拟南芥、
蓖麻、 毛果杨等)的跨膜结构域不同(图 4)ꎬ 这可
能是 DGAT2蛋白在木薯进化形成之后发生了功能
分化ꎮ
木薯属于大戟科木薯属ꎬ 为世界三大薯类之
一ꎬ 具有优良的抗逆和抗贫瘠特性ꎬ 对于木薯的抗
胁迫研究具有重要的理论和实践意义ꎮ 本研究首次
推测报道了木薯中 DGAT2 蛋白可能与植物抗胁迫
反应有关ꎬ 为木薯的抗逆性研究提供了一定的数据
支持ꎬ 但关于这一推测的准确性还需要进一步的实
验验证ꎮ
参考文献:
[ 1 ]   Karantonis HCꎬ Nomikos Tꎬ Demopoulos CA. Tria ̄
cylglycerol metabolism[J] . Curr Drug Targetsꎬ
2009ꎬ 10(4): 302-319.
[ 2 ]   Dolinsky VWꎬ Gilham Dꎬ Alam Mꎬ Vance DEꎬ Leh ̄
ner R. Triacylglycerol hydrolase: role in intracellu ̄
lar lipid metabolism[ J] . Cell Mol Lifeꎬ 2004ꎬ 61
(13): 1633-1651.
[ 3 ]   Zhang Mꎬ Fan JLꎬ Taylor DCꎬ Ohlrogge JB. DGAT1
and PDAT1 acyltransferases have overlapping
functions in Arabidopsis triacylglycerol biosynthe ̄
sis and are essential for normal pollen and seed
development[J] . Plant Cellꎬ 2009ꎬ 21(12): 3885-
3901.
[ 4 ]   Lock YYꎬ Snyder CLꎬ Zhu WMꎬ Siloto RMꎬ We ̄
selake RJꎬ Shah S. Antisense suppression of type
1 diacylglycerol acyltransferase adversely affects
plant development in Brassica napus[ J] . Physiol
291 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
Plantarumꎬ 2009ꎬ 137(1): 61-71.
[ 5 ]   Liu Qꎬ Siloto RMꎬ Lehner Rꎬ Stone SJꎬ Weselake
RJ. Acyl ̄CoA: diacylglycerol acyltransferase: mo ̄
lecular biologyꎬ biochemistry and biotechnology
[J] . Prog Lipid Resꎬ 2012ꎬ 51(4): 350-377.
[ 6 ]   Agarwal AKꎬ Garg A. Congenital generalized lipo ̄
dystrophy: significance of triglyceride biosynthetic
pathways [ J] . Trends Endocrin Metꎬ 2003ꎬ 14
(5): 214-221.
[ 7 ]   Pillai MGꎬ Certik Mꎬ Nakahara Tꎬ Kamisaka Y.
Characterization of triacylglycerol biosynthesis in
subcellular fractions of an oleaginous fungusꎬ Mor ̄
tierella ramanniana var. angulispora[ J] . Mol Cell
Biol Lꎬ 1998ꎬ 1393(1): 128-136.
[ 8 ]   Coleman RAꎬ Lee DP. Enzymes of triacylglycerol
synthesis and their regulation[J] . Prog Lipid Resꎬ
2004ꎬ 43(2): 134-176.
[ 9 ]   Saha Sꎬ Enugutti Bꎬ Rajakumari Sꎬ Rajasekharan
R. Cytosolic triacylglycerol biosynthetic pathway in
oilseeds. Molecular cloning and expression of pea ̄
nut cytosolic diacylglycerol acyltransferase [ J ] .
Plant Physiolꎬ 2006ꎬ 141(4): 1533-1543.
[10]   Yen CLꎬ Stone SJꎬ Koilwad Sꎬ Harris Cꎬ Farese
JR. DGAT enzymes and triacylglycerol biosynthe ̄
sis[J] . J Lipid Resꎬ 2008ꎬ 49: 2283-2301.
[11]   Matsuda Sꎬ Inoue Tꎬ Lee HCꎬ Kono Nꎬ Tanaka Fꎬ
Gengyo ̄Ando Kꎬ Mitani Sꎬ Arai H. Member of the
membrane ̄bound O ̄acyltransferase ( MBOAT )
family encodes a lysophospholipid acyltransferase
with broad substrate specificity[J] . Genes Cellsꎬ
2008ꎬ 13(8): 879-888.
[12]   Wang Pꎬ Wang Zꎬ Dou Yꎬ Zhang Xꎬ Wang Mꎬ
Tian X. Genome ̄wide identification and analysis of
membrane ̄bound O ̄acyltransferase ( MBOAT )
gene family in plants[J] . Plantaꎬ 2013ꎬ 238(5):
907-922.
[13]   Winter Aꎬ Van Eckeveld Mꎬ Bininda ̄Emonds ORPꎬ
Habermann FAꎬ Fries R. Genomic organization of
the DGAT2 / MOGAT gene family in cattle ( Bos
taurus) and other mammals[J] . Cytogenetic Ge ̄
nome Resꎬ 2004ꎬ 102(1-4): 42-47.
[14]   Li RZꎬ Yu KSꎬ Hildebrand DF. DGAT1ꎬ DGAT2
and PDAT expression in seeds and other tissues of
epoxy and hydroxy fatty acid accumulating plants
[J] . Lipidsꎬ 2010ꎬ 45(2): 145-157.
[15]   Shockey JMꎬ Gidda SKꎬ Chapital DCꎬ Kuan JCꎬ
Dhanoa PKꎬ Bland JMꎬ Rothstein SJꎬ Mullen RTꎬ
Dyer JM. Tung tree DGAT1 and DGAT2 have non ̄
redundant functions in triacylglycerol biosynthesis
and are localized to different subdomains of the
endoplasmic reticulum [ J] . Plant Cellꎬ 2006ꎬ 18
(9): 2294-2313.
[16]   Kroon Jꎬ Wei WXꎬ Simon WJꎬ Siabas AR. Identifi ̄
cation and functional expression of a type 2 Acyl ̄
CoA: diacylglycerol acyltransferase (DGAT2) in
developing castor bean seeds which has high ho ̄
mology to the major triglyceride biosynthetic en ̄
zyme of fungi and animals [ J] . Phytochemistryꎬ
2006ꎬ 67(23): 2541-2549.
[17]   Li RZꎬ Yu KSꎬ Hatanaka Tꎬ Hildebrand DF. Ver ̄
nonia DGATs increase accumulation of epoxy fatty
acids in oil[J] . Plant Biotechnol Jꎬ 2010ꎬ 8(2):
184-195.
[18]   Zhou XRꎬ Shrestha Pꎬ Yin Fꎬ Petrie JRꎬ Singh SP.
AtDGAT2 is a functional Acyl ̄CoA: diacylglycerol
acyltransferase and displays different Acyl ̄CoA
substrate preferences than AtDGAT1 [ J ] . Febs
Lettꎬ 2013ꎬ 587(15): 2371-2376.
[19]   Cao HPꎬ Shockey JMꎬ Klasson KTꎬ Chapital DCꎬ
Mason CBꎬ Scheffler BE. Developmental regula ̄
tion of diacylglycerol acyltransferase family gene
expression in tung tree tissues [ J] . Plos Oneꎬ
2013ꎬ 8(10): e76946.
[20]   Rani SHꎬ Saha Sꎬ Rajasekharan R. A soluble dia ̄
cylglycerol acyltransferase is involved in triacylg ̄
lycerol biosynthesis in the oleaginous yeast
Rhodotorula glutinis[J] . Microbiologyꎬ 2013ꎬ 159
(Pt 1): 155-166.
[21]   Do CBꎬ Mahabhashyam MSPꎬ Brudno Mꎬ Batzo ̄
glou S. Probcons: probabilistic consistency ̄based
multiple sequence alignment [ J] . Genome Resꎬ
2005ꎬ 15(2): 330-340.
[22]   Tamura Kꎬ Stecher Gꎬ Peterson Dꎬ Filipski Aꎬ Ku ̄
mar S. MEGA6: molecular evolutionary genetics a ̄
nalysis version 6􀆰 0 [ J] . Mol Biol Evolꎬ 2013ꎬ 30
(12): 2725-2729.
[23]   Ronquist Fꎬ Huelsenbeck JP. Mrbayes 3: bayes ̄
ian phylogenetic inference under mixed models
391  第 2期                陈振玺等: 在基因家族背景下对四种植物中 DGAT2的鉴定和序列分析
[J] . Bioinformaticsꎬ 2003ꎬ 19(12): 1572-1574.
[24]   Gasteiger Eꎬ Gattiker Aꎬ Hoogland Cꎬ Ivanyi Iꎬ
Appel RDꎬ Bairoch A. Expasy: the proteomics
server for in ̄depth protein knowledge and analysis
[J] . Nucleic Acids Resꎬ 2003ꎬ 31 (13): 3784 -
3788.
[25]   Stone SJꎬ Levin MCꎬ Farese RV. Membrane topolo ̄
gy and identification of key functional amino acid
residues of murine Acyl ̄CoA: diacylglycerol acyl ̄
transferase ̄2[J] . J Biol Chemꎬ 2006ꎬ 281(52):
40273-40282.
[26]   Aymé Lꎬ Baud Sꎬ Dubreucq Bꎬ Joffre Fꎬ Chardot
T. Function and localization of the Arabidopsis
thaliana diacylglycerol acyltransferase DGAT2 ex ̄
pressed in yeast[J] . Plos Oneꎬ 2014ꎬ 9(3): 1-9.
[27]   Liu Qꎬ Siloto RMꎬ Snyder CLꎬ Weselake RJ. Func ̄
tional and topological analysis of yeast acyl ̄CoA:
diacylglycerol acyltransferase 2ꎬ an endoplasmic
reticulum enzyme essential for triacylglycerol bio ̄
synthesis[ J] . J Biol Chemꎬ 2011ꎬ 286: 13115-
13126.
[28]   Martin BAꎬ Wilson RF. Subcellular localization of
triacylglycerol synthesis in spinach leaves[J]. Lipi ̄
dsꎬ 1984ꎬ 19(2): 117-121.
[29]   Sakaki Tꎬ Kondo Nꎬ Yamada M. Pathway for the
synthesis of triacylglycerols from monogalactosyl ̄
diacylglycerols in ozone ̄fumigated spinach leaves
[J] . Plant Physiolꎬ 1990ꎬ 94(2): 773-780.
[30]   Yang ZLꎬ Ohlrogge JB. Turnover of fatty acids
during natural senescence of Arabidopsisꎬ
Brachypodiumꎬ and switchgrass and in Arabidop ̄
sis β ̄oxidation mutants[ J] . Plant Physiolꎬ 2009ꎬ
150(4): 1981-1989.
(责任编辑: 刘艳玲)
491 植 物 科 学 学 报 第 33卷