烟草β—1,3—葡聚糖酶的生物学分析

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  摘要 [目的]以烟草β-1,3-葡聚糖酶的氨基酸序列为材料,对其特性进行深度挖掘。[方法]采用NCBI-PROTEIN筛选蛋白序列,依次运用ProtParam、SignalP 4.1和TMHMM 2.0工具进行预测并分析烟草葡聚糖酶的理化特性、信号肽和跨膜结构的组成成分。[结果]NtBGl-2的分子量最大(40 390.76 Dk),NtBGl-3的分子量最小(37 722.64 Dk);NtBGl-1和NtBGl-2的等电点小于7.0,而NtBGl-3的等电点大于7.0;NtBGl-1和NtBGl-2属于不稳定蛋白,NtBGl-3属于稳定性蛋白,且耐热性大于NtBGl-1和NtBGl-2;NtBGl-1和NtBGl-2的优势氨基酸为甘氨酸和丝氨酸,NtBGl-3的为天冬酰氨和丙氨酸;NtBGl均含有信号肽,属于分泌蛋白;NtBGl-1无跨膜区,而NtBGl-2(13 ~35)和NtBGl-3(7 ~29)含有跨膜结构区域,属于跨膜蛋白。[结论]该研究为深入研究烟草葡聚糖酶奠定基础。
  关键词 烟草;β-1,3-葡聚糖酶;生物学
  中图分类号 S-3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2018)17-0096-02
  Abstract [Objective] The amino acid sequence of tobacco β1,3glucanase was used as a material to deeply explore its characteristics. [Method]NCBIPROTEIN was used to screen protein sequences, and ProtParam, SignalP 4.1 and TMHMM 2.0 tools were used to predict physicochemical properties, signal peptide and transmembrane structure of tobacco glucan enzyme. [Result]The molecular weight of NtBGl2 was the maximum (40 390.76 Dk), and that of NtBGl3 was the minimum (37 722.64 Dk); the isoelectric point of NtBGl1 and NtBGl2 was less than 7.0, but NtBGl3 was more than 7.0; NtBGl1 and NtBGl2 were unstable proteins, NtBGl3 was a stable protein, and the heat resistance was greater than that of NtBGl1 and NtBGl2; the dominant amino acids of NtBGl1 and NtBGl2 were glycine and serine, NtBGl3 for asparagine and alanine; NtBGl contained signal peptide, belonged to secreted proteins; NtBGl1 had no transmembrane domain, while NtBGl2 (13 ~35) and NtBGl3 (7 ~29) contained transmembrane structure, and belonged to transmembrane proteins.[Conclusion]This study lays the foundation for indepth study of tobacco glucanase.
  Key words Tobacco; β 1,3 Glucan; Biology
  β-1,3-葡聚糖酶具有水解β型的1,3糖苷键的葡聚糖聚合体的作用[1-2],由于葡聚糖是植物细胞壁的重要组成部分,因此葡聚糖酶具有促进植物体软化的作用[3]。此外,葡聚糖酶具有抵抗部分细菌和真菌的入侵[4-6]。正常情况下,葡聚糖酶较少在植物体内积累,且活性较低,当受到病原微生物入侵时,葡聚糖酶的表达量增加,在体内大量合成,同时产生部分同工酶,进而发挥抵抗病原菌入侵的作用[7-9],如水稻被稻瘟菌感染,诱导葡聚糖酶的活性增加3~5倍[10];烟草的坏疽病感染黄瓜叶,促使葡聚糖酶的活性增加6倍[11]。
  目前,关于烟草葡聚糖酶的研究主要集中在其抵抗病原微生物,主要包括花叶病[12]、疫霉病[13]、立枯絲核菌[14]、坏疽病[11]等。为更深层次地认识烟草β-1,3-葡聚糖酶的生物学特性,笔者利用生物信息学的方法进行研究,进而为深入研究烟草葡聚糖酶奠定基础。
  1 材料与方法
  1.1 筛选烟草β-1,3-葡聚糖酶家族成员
  采用NCBI-PROTEIN[15]数据库在线检索,筛选烟草葡聚糖酶相关的蛋白序列,获取的登录号分别是AAA63541.1、ACF93731.1和AAA63542.1,依据优势氨基酸和氨基酸数进行命名,分别为NtBGl-1、NtBGl-2和NtBGl-3[16]。
  1.2 方法 以ProtParam的工具[17]测定序列的理化特性,如烟草葡聚糖酶的氨基酸数、分子量、理论等电点、不稳定指数、脂肪族指数和优势氨基酸;使用SignalP 4.1的在线服务[18],其D-cutoff值以Matthews的相关系数进行测定;采用TMHMM 2.0工具[19],根据疏水性氨基酸,对烟草葡聚糖酶的跨膜结构进行分析。
  2 结果与分析
  2.1 烟草β-1,3-葡聚糖酶理化特性的分析   通过在线工具(PROTPARAM)预测NtBGl的相关理化特性,结果显示(表1),NtBGl-2的氨基酸数最多(370),其次是NtBGl-1,为359个,NtBGl-3的最小,含有343个氨基酸;对于烟草葡聚糖酶,以NtBGl-2的分子量最大,其分子量为40 390.76 Da,而NtBGl-3的分子量最小(37 722.64 Da);通过测定烟草葡聚糖酶的等电点,NtBGl-1和NtBGl-3的等电点分别为6.60和5.12,均属于酸性蛋白,而NtBGl-2的等电点值最大(7.10),属于碱性蛋白;NtBGl-1和NtBGl-2的不稳定指数均大于40,其值分别为42.49和44.28,因此NtBGl-1和NtBGl-2属于不稳定性蛋白,而NtBGl-3的不稳定指数为37.47,即NtBGl-3属于稳定性蛋白;NtBGl-3的脂肪族指数最大(90.20),说明NtBGl-3的耐热性大于NtBGl-1和NtBGl-2;NtBGl-1和NtBGl-2的優势氨基酸相同,均为甘氨酸(含量分别为9.2%、8.9%)和丝氨酸(含量分别为9.2%、9.5%),NtBGl-3的优势氨基酸为天冬酰氨(9.6%)和丙氨酸(10.2%)。
  2.2 烟草β-1,3-葡聚糖酶的信号肽分析
  从信号肽、原始的剪切位点和综合的剪切位点3个方面分析烟草葡聚糖酶的信号肽发现(图1),NtBGl-1第10位亮氨酸的信号肽值(S)达到最大(0.970),而原始的剪切位点(C)和综合的剪切位点(Y)的最大分值均处于第22位谷氨酰胺,其值分别为0.810和0.856,因此NtBGl-1具有信号肽,剪切位点处于第21与22位氨基酸之间,信号肽处于第1~21位的氨基酸,该信号肽的均值为0.902;NtBGl-2的信号肽值于第20位亮氨酸处达到最大(0.957),原始的剪切位点和综合的剪切位点的最大分值均处于第33位谷氨酰胺,其值分别为0.742和0.795,即NtBGl-2具有信号肽,剪切位点处于第32~33位氨基酸,信号肽处于第1~32位的氨基酸,该信号肽的均值为0.846;NtBGl-3的信号肽值于第9位苯丙氨酸处达到最大(0.986),原始的剪切位点和综合的剪切位点的最大分值均处于第30位谷氨酰胺,其值分别为0.615和0.753,表明NtBGl-3具有信号肽,剪切位点处于第29与30位氨基酸之间, 且信号肽处于第1~29位的氨基酸,该信号肽的均值为0.929。综上所述,烟草葡聚糖酶均具有信号肽,即属于分泌蛋白。
  2.3 烟草β-1,3-葡聚糖酶的跨膜结构分析
  蛋白酶可通过跨膜结构锚定于质膜上,进而在亚细胞结构的特定区域参与信号传递或代谢活动,因此对NtBGl的跨膜结构进行分析,结果显示(图2),NtBGl-1序列位于膜内的氨基酸数为3.50,小于20.00,即NtBGl-1不具有跨膜结构;NtBGl-2和NtBGl-3位于膜内序列的氨基酸数分别为20.97和22.74,均大于20.00,表明NtBGl-2和NtBGl-3含有跨膜结构,其概率分别为0.947和0.993;NtBGl-2的第1~12位氨基酸位于
  膜内,第13 ~35位氨基酸为跨膜区,第36~370位的氨基酸处于膜外;NtBGl-3的第1~6位氨基酸位于膜内,第7~29位氨基酸为跨膜区,第30~343位的氨基酸处于膜外。综上所述,除NtBGl-1外,NtBGl含有跨膜结构。
  3 结论与讨论
  通过理化特性分析,NtBGl-2等电点大于7.0,因此,NtBGl-2可能定位于液泡,且具有降解病原菌菌丝的功能[20],但NtBGl-2属于不稳定性蛋白,因此NtBGl-2可能诱导同工酶、几丁质、核糖体等共同作用,进行抵抗病原微生物[7-8];NtBGl均属于分泌蛋白,具有信号肽,从而指引烟草葡聚糖酶运输于特定区域,参与相应的抗性反应[21];NtBGl-2(第13 ~35位氨基酸)和NtBGl-3(7 ~29)均含有跨膜结构,因此,NtBGl-2和NtBGl-3可能参与信号的传递[22]。
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