全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 26(5)：464— 473 2006年 9月
植物萜 类合 成酶 3一羟基-3-甲基戊二酰
辅酶 A还原 酶的生物信息学分析
李 嵘，王站之
(陕西师范大学 生命科学学院，陕西 西安 710062)
摘 要；采用生物信息学的方法和工具对已在 GenBank上注册的橡胶、烟草、辣椒、穿心莲等植物的萜类合成
酶3一羟基一3一甲基戊二酰辅酶 A还原酶的核酸及氨基酸序列进行分析，并对其组成成分、信号肽、跨膜拓朴结
构域 、疏水性／亲水性 、蛋白质二级及三级结构、分子系统进化关系等进行预测和推断 。结果表明：该类酶基因
的全长包括 5 、3 非翻译 区和一个开放阅读框 ，无信号肽，是一个跨膜 的亲水性蛋 白，包括两个功能 HMG-
CoA结合 motif及两个功能 NADPH结合 motif，a一螺旋和不规则盘绕是蛋白质二级结构最大量的结构元件 ，
转角和延伸链散布于整个蛋 白质中，蛋 白质的功能域在空间布局上折叠成“V”形 ，“V”形 的两臂 由螺旋状的
N结构域和 S结构域构成，中间部分由 L结构域构成。
关键词：植物萜类合成；3-羟基一3一甲基戊二酰辅酶 A还原酶(HMGR)；生物信息学
中图分类号 ：Q942．6，Q943．2 文献标识码 ；A 文章编号：1000-3142(2006)05-0464—10
A bioinformatic：anal~ on 3-hydroxy-3 ls ysis 0 I I：1 - _ _
methylglutaryle—CoA reductase，fl key enzyme
in plant isoprenoid biosynthesis
LI Rong．W ANG Zhe—zhi
(College of Life Sciences，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)
Abstract：In the present study，3-hydroxy-3一methylglutaryl—CoA reductase from rubber，tobacco，capsicum and an—
drographis，which were registered in GenBank，were analyzed and predicted by the tools of bioinformatics in the fol—
lowing aspects：the composition of nuclei acid sequences and amino acid sequences，signal peptide，transmembrane tO—
pologieal structure，hydrophobicity or hydrophilicity，secondary and tertiary structure of protein，molecular phyloge—
netic evolution and SO on． The results are as follows：the full—length gene of HMGR contains an opening reading
frame。5 -untranstrated region and 3-untranstrated region；HMGR is fl hydrophilic and transmembrane protein which
lack of signal peptide；the amino acid sequences of HMGR include two functional HMG-CoA binding motifs and two
functional NADPH binding motifs the main motif of predicted secondary structure of HMGR are alpha helix and ran—
dom coll，beta turn and extended strand are spreaded in the whole secondary structure of protein；the predicted tertiary
structure of functional domain of HMGR includes the helical N-domain。S-domain and L-domain．
Key words：plant isoprenoid biosynthesis；3-hydroxy-3一methylglutaryl—CoA reductase(HMGR)；bioinformatics
收稿日期：2006—04一IO 修 回日期：2006—05—15
基金项 目：国家“十五”科技攻关项 目(2004BA721A35)[Supported by Key Technologies Research and Development Program of
State Tenth Five-Year Plan Pr0ject(2oo4BA721A35)]
作者简介：李嵘 ，男，主要从事植物分子生物学方面的研究，(E—mail)lirong@snnu．edu．en。
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5期 李 嵘等：植物萜类合成酶 3一羟基一3一甲基戊二酰辅酶 A还原酶的生物信息学分析 465
萜类化合 物(terpenoid)是一类 由异戊二烯 (i—
soprene)为结构组成单元的天然烃类化合物的统
称，在自然界中分布广泛、种类繁多、结构多样，迄今
为止 ，约有 22 000种萜及萜类衍生物的化学结构已
被鉴定 (Sacchetini等，1997；Verpoorte等，2000；
Lange等，2000)。据估计，植物体内的萜类化合物
有 30 000种之多(Page等 ，2004)，它们不仅在植物
生命活动中起重要作用，而且被广泛应用于工业、医
药卫生等领域。据文献报道，植物体内萜类化合物
的合成有甲羟戊酸(mevalonate pathway，MVA)和
丙酮酸／磷酸 甘 油醛 (pyruvate／glyceraldehydes一3一
phosphate pathway，DXP)两条合 成途径 ，两者都 以
异戊烯基焦磷 酸(isopentenyl diphosphate，IPP)为
主要 中间产物(Lange等 ，1998；Hartmul，1999；Ro—
hmer，1999；陈大华等，2000；Dudareva等，2005；Liu
等 ，2005)。3-羟基-3-甲基戊二 酰辅酶 A 还原酶在
MVA途径中催化 3一羟基一3一甲基戊二酰辅酶 A转
化为甲羧戊酸，由于该过程不可逆 ，故 HMGR被视
作 MVA途径 中的第一个限速酶，是细胞质萜类化
合物代谢 中的重要调控位 点(Bach，1986；Choi等，
1992)。该酶的活性先后在豇豆(Vigna vexillata)、
菊芋(Helianthus tuberosus)、胡萝 b(Daucus caro-
ta)、假荆芥(Nepeta cataria)等植物中检测到，1986
年被分离提纯，证 明是一类 与膜结合的亲水 蛋白质
(Bach，1986)。目前 HMGR酶基因已从巴西橡胶
树、马铃薯、高地棉、番茄、曼地亚红豆杉等植物中分
离克隆(Chye等，1992；Korth等，1997；Yang等，
1991；Joost等，1995；Loguercio等，1999；Rodrigu—
ez—concepcion等，1999；Kato—emori等，2001；Liao
等，2004)。生物信息学(Bioinformatics)是一门由
分子生物学和信息科学技术相结合的交叉学科。由
于人类基因组计划的完成 ，相关 生物科学的发展也
已从基因组测序转向对基因组表达的分析，对蛋白
质组结构与功能的预测。利用国际互联网上的各类
分子生物学数据库及分析软件对已知的核酸和蛋白
质序列进行比对、分析、建立计算模型，从而对其结
构、功能进行推断及预测，是当今生物信息学发展的
必然潮流。本文利用生物信息学的方法，以橡胶
(Hevea brasiliensis)为 重 点 ，对 烟 草 (Nicotiana
tabacum)、辣椒 (Capsicum annuum)、穿心莲 (An—
drographis paniculata)等植物 的 3一羟基一3一甲基戊
二酰辅酶 A还原酶的基因及相应氨基酸序列的理
化性质、结构特征、功能及系统演化关系等进行预测
和分析，以期为今后深入开展该类酶 的相关研究提
供一定的理论依据 。
1 材料和方法
数据资料来源于 National Center for Biotech-
nology Information(NCBI)核酸及蛋白质数据库中
已注册的 3一羟基-3-甲基戊二酰辅酶 A还原酶的核
酸序列及其对应的氨基酸序列：橡胶 (Accession：
AY706757、Accession：AAU08214)、烟 草 (Acces—
sion：NTU60452、Accession：AAB87727)、辣椒(Ac—
cession：AF110383、Accession：AAD28179)、穿心莲
(Accession：AY254389、Accession：AAP14352)。
依 据 Vector NTI Suite 8．0软件 及 http：／／
www．ncbi nlm．nih．gov／、http ?fwww．ebi．ac．
uk／、http：／／www．cbs．dtu．dk／、http：／／cn．ex-
pasy．org／等网站提供的各类生物信息学软件进行
在线分析(李衍达等，2000；钟扬等，2003)。核酸及
氨基酸序列的组成成分分析、理化性质分析、开放阅
读框(Open reading frame，0RF)的查找和翻译利用
Vector NTI Suite 8．0软件及 ProtParam、pI／MV、
ORF Finder在线工具上进行 ；核酸及氨基酸序列的
同源性比对、多序列比对及分子系统进化关系利用
Blast和 Clustal W 在线工具完成；蛋白质信号肽的
预测 、跨膜结构域及亲水性／疏水性的分析利用在线
工具 SignaIP、TMHMM、ProtScale完成 ；蛋 白质二
级及 三 级 结 构 的 预 测 利 用 SOPMA 和 SwISS—
MODEL在线工具完成。
2 结果和分析
2．1不同植物 HMGR基因的核酸及对应氨基酸序
列的组成成分及理化性质分析
用 ORF Finder、Vector NTI Suite 8．0、Prot—
Param 和 pI／MV 对 橡 胶、烟 草、辣 椒、穿心 莲
HMGR基因的核酸序列及氨基酸序列进行分析，结
果见表 1。其中，橡胶 HMGR基因的全长 mRNA
序列及其推导的氨基酸序列如图 1所示。从表 1看
出，不同植 物 3一羟基一3一甲基戊 二酰辅酶 A还原酶
(HMGR)基因 的全 长均包括 5 、3 非翻译 区(Un—
translated region，UTR)和一个开放阅读框 ，起始密
码子均为atg，终止密码子除辣椒为 taa外，其余均
为tag，开放阅读框的碱基数及所编码的氨基酸残
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基数相差不大。
不同植物 HMGR的分子量 、理论等电点、酸性
和碱性氨基酸的比例、总氨基酸带电荷的比例、极性
氨基酸的比例、疏水性 (Hydr0ph0bicity)氨基酸的
比例基本一致；含量最丰富的氨基酸均为 Ala、Leu、
Ser、Val、Gly；除橡 胶 HMGR属 于稳定 类蛋 白质
外，其余均属不稳定类蛋白质。
2．2不同植物 HMGR的核酸及氨基酸序列比对分析
用 Blast程序对橡胶 HMGR的核酸及氨基酸
序列进行同源性比对(Altschul等，1997)，结果表明
橡胶 HMGR的核酸序列与其它植物的核酸序列如
甜瓜 Cucumis melo(Accession：AB021862)、拟南芥
Arabidopsis thaliana(Accession：AY488113)、烟草
(Accession：U60452)、高地棉 Gossypium hirsutum
(Accession：AF038045)、马铃 薯 Solanum tuberos—
um(Accession：AB022690)、番茄 Lycopersicon e5一
culentum(Accession：M63642)等有较高的同源性 ；
但相对于蛋白质一蛋白质的 Blastp比对来说，橡胶
HMGR的氨基酸序列与其 它植物的氨基酸序列有
着更广泛和更 高 的相似 性，如与 甜瓜 (Accession：
BAA36291)、拟南芥(Accession：AAR83122)、烟草
(Accession：AAB87727)、高 地 棉 (Accession：
AAC05088)、马铃薯 (Accession：BAA93631)、番茄
(Accession：AAA34169)的 一 致 性 分 别 为 81 、
79 、77 、76 、76 、75 ，相似性分别为 88 、
89 、88 、85 、87 、86 。对烟草、辣椒 、穿心莲
HMGR的核酸及氨基酸序列进行类似同源性 比对，
也得到上述规律 ，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。
表 1 不同植物 HMGR基因的核酸序列及对应氨基酸序列的组成成分及理化性质分析
Table 1 A comparison of composition and physical and chemical characters of nucleic acid
sequence and deduced amino acid sequence of HM GRs among different plants
用 Clustal W程序对橡胶、烟草、辣椒、穿心莲、
甜瓜、拟南芥、番茄、高地棉、马铃薯、桑树 Morus al一
(Accession：AAD03789)、苹果 Malus domestica
(Accession：AAL03986)、曼 地 亚 红 豆 杉 TaXU5
media(Accession：AAQ82685)的氨基酸序列进行
多序列比对(Higgins等，1994)，结果表明(图2)，橡
胶、烟草、辣椒、穿心莲 HMGR的功能域与其它植
物 HMGR的功能域有着几乎一致 的氨基酸组成，
也具有 HMGR活性所 必需的典型 的多肽位点 ，即
两个 HMG-CoA 结合 motif：EMP(V／i)GY(V／i)
QIP和 TTEGCLVA，两 个 NADPH 结 合 motif：
DAMGMNM 和 GTVGGGT。其 中，TTEGCLVA
中的谷氨酸 Glu在 HMGR催化中起着重要作用
(Park等 ，1992；Campos等，1995；Loguercio等，
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5期 李 嵘等：植物萜类合成酶 3一羟基一3一甲基戊二酰辅酶 A还原酶的生物信息学分析 467
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图 1 橡胶 HMGR基因的全长 mRNA序列及推导的氨基酸序列
Fig．1 The full—length mRNA sequence and deduced amino acid sequence of HM GR in rubber
起始密码子用方框显示，终止密码子用斜体下划线显示，5 和3 r非翻译区加粗显示，保守结构域用下划线显示。
The start codon(ATG)was boxed and the stop eodon(TAG)was underlined italieally．The UTR of 5
and 3 were showed in bold fonts． Conserved motif was underlined．
1 998；Jain等，2000；Kato—emori等，2OO 1；Rupasing—
he等，2001)。这一结果暗示功能结构域在分子进
化中具有较高的稳定性，也意味着植物 HMGR是
一 个催化甲羟戊酸合成的功能蛋白。
2．3不同植物 HMGR信号肽的预测和分析
信号肽(Signal peptide或 Signal sequence)位
于蛋 白质 N端 ，一般有 16～26个氨基酸残基，包括
疏水核心区、信号肽的C端和N端等三部分。蛋白
质首先在细胞质基质游离核糖体上起始合成，然后
在信号肽引导下，转运至不同细胞器或细胞质基质
中的特定部位发挥作用(翟中和等，2000)。因此，信
号肽的预测和分析 ，对正确认识和理解蛋白质的细
胞定位及结构域的分选有重要意义。用 SignalP
3．0 Server对橡胶 HMGR氨基酸序列的信号肽进
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468 广 西 植 物 26卷
Gossypium hirstum
Malus domestica
Cucumis melo
Arabidopsis thaliana
Hevea brasi1iensis
Morus a1ba
Solanum tubm’osum
Lycopersicon escu1entuln
Nicot iana tabacmn
Caps iCtll anntlUll
Andrographis paniculata
Taxus reedia
GossypiUll hirstu
Ma1us domestica
CtlctlliS le1o
Arabidopsis thaliana
Hevea brasi1iensis
Morus a1ba
So1antll tuberostll
Lycopersicon esctl1enturn
Nicot iana tabacum
Caps i ctlnl anntltll
Andrographi s paniculata
Faxus reedia
HMG．CoA binding
ESILG0CCEMPVGYEqIPvGIAGPLLLNG
ESILG0CCEMPVGYVQIPVGIAGPLMLDG
ESILG0CCEMPVGYVQIPVGIAGPLLLDG
ESILGQCCEMPVGYIQIPVGIAGPLLLDG
ESI LG0CCEMPVGYVQIPVGIAGPLLLNG
ESILGQCCEMPVGYVQIPVGIAGPLLLDE
ESILG0CCEMPIGYIQIPVGIAGPLLLNG
ESILG0CCEMPIGYVQIPvGIAGPLLLNG
ESILG0CCEMPVGYVQIPVGIAGPLLLDG
ESILGQCCEMTIGYVQIPVGIAGPLLLNG
DSILG0CCEMPVGYVQIPVGIAGPLLLNG
QSILG0CCEMPIGYVQIPVGVAGPLLLNG
：术术术术术术术术术术 ：术术 术术术术术 ：术术术术 ：术：
NADPH binding
LYLRFSCFTGDAMGMNMVSKGVQNV 357
LYMRFTCSTGDAMG~fNMVSKGVQNV 359
LYVRFCCSTGDAMGMNMVSKGVQNV 359
AYVRFCCSTGDAMGMNMVSKGVQNV 408
LYIRFSYSTGDAMGMNMVSKGVQNV 347
VYMRFSCSTGDAMGMNMVSKGVQNA 320
LYMRFSCSTGDAMGMNMVSKGVQNV 349
LYMRLCCSTGDAMG MVSKGVQNV 374
LYMRFSCSTGDAMG~fNMVSKGVQNV 39 l
LHMRFVCSTGDAMGMNMVSKGVQNV 39 l
LYLRFTCSTGDAMGMNMVSKGVQNV 345
LYMRFCCFTGDAMGMNMVSKGV0NV 36 l
木·木· 木木木木木木木术术术术术术术术术
术： 术木 ：术术术术术术术术术术术术 术 术术
NADPH binding
277
279
279
328
267
240
269
294
296
296
250
28l
SIEVGTVGGGTQLASQSACL 547
SIEVGTVGGGT0LASQSACL 549
SIEVGTVGGGTQLASOSACL 549
SIEVGTVGGGTQLASQSACL 598
SIEVGTVGGGTQLASQSACL 537
SIEVGTVGGGTQLASQSAC【|520
SIEVGTVGGGTQLASQSACL 539
SIEVGTVGGGTQLASQSACL 564
SIEVGTVGGGTOLASQSACL 54 l
SIEVGTVGGGTQLASQSACL 5，11
SIEVGTVGGGTOLASQSACL 495
ClEVGTVGGG1、HLASQAACI 55 1
木木木木木木木木木木 ·木木木木-术术木
图 2 不同植物 HMGR氨基酸序列多重比对
Fig．2 Multiple alignment of amino acid sequence among different plant HM GRs
“ * ”
、
“ ”
、
“
． ”分别表示氨基酸完全相同、保守和半保守三种情况。重要功能结构域 motif用阴影表示．即
两个 HM CoA结合motif：EMP(V／I)GY(V／1)QIP和TTEGCLVA．两个 NADPH结合 motif：
DAMGMNM和 GTvGGGT。在 HMGR催化中起重要作用的谷氨酸 G1u用方框显示。
The completely identica1．conservative and semi—conservative amino acid residues were indicated with“*”，“：”and“．”respectively
The substrate-binding motifs were gray—shaded．HMG-CoA binding motif include EMP(V／1)GY(V／1)QIP and TTEGCLVA；
NADPH binding motif include DAMGMNM and GTVGGGT．The glutamic acid residue，essential for catalysis，was boxed．
行预测(Nielsen等，1997；Bendtsen等，2004)，结果
如图3，第 3O号氨基酸残基具有最高的原始剪切位
点分值 0．186，第 36号氨基酸残基具有最高的信号
肽分值 0．689，第 5O号氨基酸残基具有最高的综合
剪切位点分值 0．104，由此看出，橡胶 HMGR不存
在信号肽酶切位点，不具有信号肽。可以推断，橡胶
HMGR在细胞质中合成后，不进行蛋白转运，而保
留在细胞质基质中，直接与代谢底物相作用。
对烟草、辣椒、穿心莲 HMGR氨基酸序列的信
号肽进行 分析，也得 到与橡胶 一致 的结果，即
HMGR不存在信号肽酶切位点，不具有信号肽。可
以推断，植物 HMGR在细胞质中合成后，不进行蛋
白转运，而保 留在细胞质基质中，直接与生成甲羟戊
酸相关的代谢底物相作用。由于 HMGR是 MVA
途径中的一个限速酶(Bach，1986；Choi等，1992)，
而MVA途径仅存在于细胞质中(Liu等，2005)，由
此看出，这一推断与萜类代谢 MVA途径在细胞中
的作用部位是相吻合的。
2．4不同植物 HMGR跨膜结构域的预测和分析
跨膜结构域是膜内在蛋白与膜脂相结合的主要
部位 ，一般由 20个 疏水氨基酸残基组成，形成 a螺
旋，它 固着 于细胞膜 上起 “锚定”作 用 (翟 中和等，
2000)。跨膜结构域的预测和分析 ，对正确认识和理
解蛋白质的功能、结构、分类、方位及细胞中的作用
部位 均有 着重 要 的 指示 意 义。用 TMHMM 2．0
Server对橡胶 HMGR氨基酸序列的跨膜结构域进
行预测，结果如图4，橡胶 HMGR有两个跨膜区域，
一 个位于多肽链第 31位的脯氨酸 Pro与第 53位的
亮氨酸 Leu之间，共计 23个氨基酸残基，另一个位
于多肽链第 74位的异亮氨酸 Ile与第 96位的缬氨
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5 fIl】 芈 嵘等：植物萜类台成酶3一羟基0一甲基戊二酰辅酶A还原酶的生物信心学分析 469
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阿 3 豫腔 HMGR信 肽预洲
Fig 3 P l¨1 I slgnul ix：ptide for HMGR in~bber
孵圻蚵 位 帅{ 瓶 ： 情 №舯仆值：、 ％☆鲫Ⅵ 点 什值
【． ， ：Ehe l¨ n】r~figinJIJ 『⋯ Il尸．s⋯ n— W forthe 5 peptidc⋯Y r ⋯ c um for 】 I h v“
HMGR 细胞J面叶1台成后．小进行跨膜转运．『=『是
直接往圳地厩肇瞪·『j曲特定部位行使催化功能
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咐烟草，辣极 穿心莲 1IMGP,氧基限序 的跨
膜结构域 进行 分析 ， 得 到 隙胶 一致 的 结果 ．乜lI
I|MGR 阿 跨膛区域．结合上往f占号肽的预测．
可以推断 恤物 HMGR 细胞质巾俞成后 柜奠跨
膜结构域 细胞膜脂的相互作用，将 HMGR“锚定“
于细胞质摹质中的特定部位行使催化功能
2．5不同植物tt]VI(；R疏水性／亲水性的预测和分析
疏 水性 足 2()种缸基 酸都 有 的特性 ．即氟基醢
远离周同水分子．将自已也埋进蛋闩质十羹心的桐刊
趋势 这 趋许J川I一审l 体条件和其它一 因
索，决定 个 Ll质最终折叠成三维空闸构象 此
r口lSea日 Du c口u}l[⋯ ⋯ que『1ce
／
Posit~on
田 5 像脞 IIMGR疏水5r／ 水 f{(J琐删
Fig 5 P ( hydn~ph．1fi,¨ v vf il y
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外．通过了解J 链中 同队段I 日疏水‘ ，t—r刈跨J腱蛋
白的踌 瞧站恂域 进行预 删 因此 疏水 性／亲水性 的
项测和分析．肘蚩白硫次级结掏n勺_舸删硬功能结佝
域的分选提供J 重要峋理论鍪考 ll1 ProlSca]e刊
橡胶 HMGR鲺摹酸序列的蚵水性／亲水 进行预测
(Kyle等，1982)．结粜圳嗣5所示，多从键第 58化
的大冬氢酶 Asp具有最低m分他-2 667，亲水性最
强；第78位的缬氨酸v 具有最商的升 3 167．疏
水 比最 强 牦 个多肽链 丧现 为亲 水性 ．其 中前 J00
仇的多肽链眭fJ明显的两1、疏水 域，这与前违踌
膜结构域的两测完 相符．说l 此段胍链足豫腔
HMGR的跨膜 { 枸域
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m ou∞
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广 丽 梢 物 26卷
6 豫 IMI，R二级} I拘 预驯
Fig 6 I J ⋯ j }¨d⋯ l ⋯m n HMI I{1n n Jl,IPi
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2．6不 同植物 HMGR二级及 三级结构的预测和分析
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功能(上镜岩等 2002) 此．蛋1]雁高级结 呐
颅测和分析．埘理斛夤i’i质结十勾I』功能之间的相关
=有斡撅儿币 的患望 f1]SOPM^ 划豫胶HMGR
氧璀艘J 列呐二维鲋 尚进 f r l洲 (f uqt⋯等．
1995)，结粜 陶6断 J ．橡胶 HMI；R山41 22％n勺
一 螺旋 、I5 65％ OIJ征 伸 健 、5 74％ 的 B一转 角 f¨
37 39％旧 ：规 则盘绕 成 ．纵 舰篮 山的 啭怍结 构 ．
一 螺旋 手¨不规 则哉绕 垃 橼胶 HMGl 撮 大赶 的结 构
J 什．I rn JB．转们fI蜓仲谜则脓析 r 个蛋白质中
埘娴I ．辣撇 寄心琏 HMGR氲毡酸序列 n々
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元件，13-转 {I延仲键散布 J。锥 蛋门质ll 此
1I以推断．植物HMfII{牦体 [I÷- 一 _l】． 一螺旋和
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5期 李 嵘等：植物萜类合成酶 3一羟基一3一甲基戊二酰辅酶 A还原酶的生物信息学分析 471
不规则盘绕是 HMGR整体结构中的主要组成结构
元件，B一转角和延伸链散布于整个蛋白质中。由此
可以推断，植物 HMGR整体蛋白结构中，a一螺旋和
不规则盘绕是最大量的结构元件，p一转角和延伸链
散布于整个蛋白质中。
用 SWISS-MODEL对橡胶 HMGR氨基酸序
列进行蛋 白质三维结构同源性建模(molecular ho—
mologous modeling)(Peitsch，1995；Guex等 ，1997；
Schwede等，2003)，结果如图 7所示，橡胶 HMGR
的功能区域在空间布局上折叠成“V”形，螺旋状的
N结构域和 S结构域构成“V”形的两臂，S结构域
内藏有一个功能 NADPH 结合 motif(DAMGM—
NM)，“V”形的中间部分 L结构域内隐藏着两个功
能 HMG—CoA 结 合 motif(EMPVGYVQIP 和
TTEGCLVA)和 一 个 功 能 NADPH 结 合 motif
(GTVGGGT)，这一结果与人类 HMGR的三维结
构非常相似(Istvan等，2000)。
对烟草、辣椒 、穿心莲 HMGR氨基酸序列进行
蛋白质三维结构同源性建模，得到与橡胶一致的结
果 ，即 HMGR的功能 区域在空间结构上折叠成“V”
形，螺旋状的N结构域和 S结构域组成“V”形的两
臂，中部部分由L结构域组成，L结构域内藏有两个
功能 HMG-CoA 结 合 motif(EMPVGYVQIP 和
TTEGCLVA)及 一 个 功 能 NADPH 结 合 motif
(GTVGGGT)，S结构域 内藏有一个功能 NADPH
结合 motif(DAMGMNM)。由此可 以推断，植物
HMGR是一个在甲羟戊酸萜类生物合成途径中起
作用的功能蛋白。
2．7不同植物 HMGR氨 基酸序 列的分子 系统进化
分析
用 Clustal W 程 序 对 橡 胶 (Accession：
AAU08214)、苹 果 (Accession：AAL03986)、番茄
(Accession：AAA34169)、高 地 棉 (Accession：
AAC05088)、马铃薯 (Accession：BAA93631)、甜瓜
(Accession：BAA36291)、拟 南 芥 (Accession：
ARR83122)、桑树(Accession：AAD03789)、曼地亚
红豆杉(Accession：AAQ82685)的氨基酸序列进行
分子系统进化分析(Higgins等，1994)，结果如图8，
九种不同植物的 HMGR氨基酸序列聚成三支，甜
瓜与拟南芥、橡胶、桑树聚成一支；高地棉与苹果、曼
地亚红豆杉聚成第二支；番茄与马铃薯聚成第三支。
这一结果虽与其他学者的研究不一致(Takhtajan，
1997；Thorne，2000；Soltis等 ，2000；APG Ⅱ，2003；
吴征镒等，2003，2004)，但还是反应了九种不同植物
间的亲缘关系。如番茄与马铃薯 同属茄科 So—
lanaceae，亲缘关系最近，聚为一支。高地棉(锦葵科
Malvaceae)与苹果 (蔷 薇科 Rosaceae)虽属不 同的
科，但它们间的亲缘关系较为接近，也聚为一支。与
此类似，甜瓜与拟南芥、橡胶、桑树均依它们问的亲
缘关系聚成一支。由此看出，依据氨基酸序列所得
出的系统演化关系虽不能真实反映植物在漫长历史
长河中的自然进化关系，但其结果对判断不同植物
间的亲缘关系仍具一定的借鉴意义。
HeVea b r a si l i ensi s
Cucumi s meI O
A r abi dOD si s thaI i ana
MO r us aI ba
GOs sypi um hi r sutum
MaI us dOmesti ca
Ta xus medi a
SO I anum tube rOsum
LycOp e r s i cOn escu I entum
图 8 不同植物 HMGR的氨基酸序列分子系统发生树
Fig．8 The phylogenetie tree of amino acid sequence
of HMGRs among different plants
3 结论和讨论
随着人类基因组计划的完成及各类模式生物基
因组DNA大规模的测序，二十一世纪生命科学的
发展由基因组学时代进入到后基因组学时代——蛋
白质组学时代。运用生物信息学的理念、方法、工具
对海量的生物学数据进行处理和分析，对揭示和探
索生命的奥秘必将产生深远的影响。生物大分子的
功能是由其基本组成成分及空间结构所决定，也即
“结构迎合功能”。从生物信息学的角度对核酸及氨
基酸序列进行分析，并对其结构和功能进行预测，以
为生命现象的本质提供一定的理论参考依据。基于
此，本研究结论如下：
(1)不同植物 HMGR基 因的全长均包括 5 、3
非翻译区和一个开放阅读框，开放阅读框的碱基数
及所编码的氨基酸残基数相差不大。(2)不 同植物
HMGR的分子量、理论等电点、酸性和碱性氨基酸
的比例、总氨基酸带电荷的比例、极性氨基酸的比
例、疏水性氨基酸的比例基本一致 ；含量最丰富的氨
基酸均 为 Ala、Leu、Ser、Val、Gly。(3)不 同植物
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472 广 西 植 物 26卷
HMGR的核酸序列之间具有较高的同源性；但相对
于蛋白质一蛋白质的 Blastp比对来说，不同植物
HMGR的氨基酸序列之间有着更广泛和更高的相
似性。(4)不同植物 HMGR的功能域有着几乎一
致的氨基酸组成，具有 HMGR活性所必需的典型
的多肽位点，即两个 HMG-CoA结合 motif：EMP
(V／I)GY(V／DQIP和 TTEGCLVA，两个 NADPH
结合 motif：DAMGMNM 和 GTVGGGT。其 中，
TTEGCLVA 中的谷氨酸 G1u在 HMGR催化中起
着重要作用。(5)植物 HMGR不存在信号肽酶切
位点，不具有信号肽，不进行蛋 白转运。(6)植物
HMGR具有两个跨膜区域，可以推断，HMGR在细
胞质中合成后，靠其跨膜结构域与细胞膜脂的相互
作用 ，将 HMGR“锚定”于细胞质基质中的特定部位
行使催化功能。(7)植物 HMGR的多肽链表现为
亲水性，前 11O位的多肽链具有两个明显的疏水区
域。(8)植物 HMGR由a～螺旋、延伸链、p一转角和不
规则盘绕组成，纵观蛋白的整体结构，a一螺旋和不规
则盘绕是植物 HMGR最大量的结构元件，而 p一转
角和延伸链则散布于整个蛋 白质中。(9)植物
HMGR的功能区域在空间结构上折叠成“V”形，螺
旋状的 N结构域和 S结构域组成“V”形的两臂，中
部部分由L结构域组成，L结构域内藏有两个功能
HMG-CoA结合 motif(EMPVGYVQIP和 TTEG—
CLVA)及 一 个 功 能 NADPH 结 合 motif
(GTVGGGT)，S结构域内藏有一个功能 NADPH
结合 motif(DAMGMNM)。(10)不同植物 HMGR
氨基酸序列所得出的系统演化关系虽不能真实的反
映植物在漫长历史长河中的自然进化关系，但其结
果对判断不同植物之间的亲缘关系仍具有一定的借
鉴意义。
上述结论虽属推断和预测，但为后期植物 3一羟
基一3一甲基戊二酰辅酶 A还原酶的功能验证、原核及
真核表达载体的构建、RNA干涉等工作提供了一定
的理论参考依据。
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