水稻DnaJ蛋白的生物信息学分析

赵 旭，刘向国，王爱荣，3

(1.福建农林大学生物农药重点实验室，福建 福州 350002;2.福州市园林科学研究院，福建 福州 350003;3.福建农林大学计算机与信息学院，福建 福州 350002)

DnaJ结构域是个非常保守的结构域，大约由70个氨基酸组成，其核心结构是组氨酸/脯氨酸/天冬氨酸(His/Pro/Asp，HPD)三肽[1]。含有DnaJ结构域的蛋白统称为DnaJ蛋白。DnaJ蛋白作为辅助蛋白通过激活热激蛋白70的ATP酶活性而调控其活性，在细胞内具有多种功能，包括新生蛋白的折叠、胞吞作用、多肽穿过细胞器质膜的转运、调整对各种胁迫的反应及对预降解蛋白的靶定等[2-4]。在大多数生物中都发现存在类似DnaJ的蛋白。目前，DnaJ蛋白分为三类[3]:第一类具有最早发现的DnaJ蛋白结构，含有4种结构域:N端的DnaJ结构域、富含甘氨酸和苯丙氨酸区域(G/F结构域)、含有4个Cys-X-X-Cys-XGly-X-Gly基序的富含半胱氨酸(CR)结构域和C末端结构域(CTD);第二类只有3种结构域，即:DnaJ结构域、G/F结构域和CTD结构域;第三类只有DnaJ结构域具有同源性，除了DnaJ结构域外，可能还含有其他各种结构域。

各种生物中的DnaJ蛋白数目不同，酵母中有22个[3]，人细胞中有41个[5]，拟南芥中至少有89个[6]。迄今，已有几个水稻DnaJ基因被分离并进行了功能鉴定[7-8]，但尚未见水稻中DnaJ蛋白的相关报道。本文对水稻DnaJ家族成员进行相关的生物信息学分析，以期更清晰地了解该类蛋白的结构、种类和功能。

1 材料与方法

1.1 数据库搜索

在水稻数据库(http://rice.plantbiology.msu.edu/analyses_search_domain.shtml)中输入 DnaJ或其Pfam 号(PF00226)进行搜索，再用 InterProScan(http://www.ebi.ac.uk/InterProScan/)和 Pfam(http://pfam.sanger.ac.uk/)对所获得的蛋白氨基酸序列进行结构域分析。将缺少DnaJ结构域及缺少保守的HPD的蛋白除去。

1.2 蛋白表达证据分析

在 http://rice.plantbiology.msu.edu/expression_expressed.shtml数据库中，输入编码 DnaJ蛋白的基因ID号，提交后得到基因表达的各种证据结果，对该结果进一步统计分析。

1.3 系统进化树分析

多序列比对用软件ClustalX 1.83进行，所生成的.aln文件用软件 Mega3.1转换成.meg文件，然后采用邻接法(neighbor joining，NJ)构建结构域系统发育树并进行1000次Boot strap抽样。

2 结果与分析

2.1 水稻中DnaJ蛋白的鉴定与分类

通过保守结构域的搜索，并剔除没有HPD核心区的序列，发现水稻中有101个编码DnaJ蛋白的基因。结构域搜索发现，3类DnaJ蛋白在水稻中均存在。第三类蛋白根据所含结构域的不同可分为13亚类，其中，成员最多的一类是只含有DnaJ结构域且其位于N末端或偏向中间位置的蛋白;成员数第二的一类也是只含有DnaJ结构域，但其位于C末端而不同于位于N末端的其他蛋白，这类蛋白被称为辅助蛋白[9];成员数第三的一类蛋白中除含有DnaJ结构域外，还含有1-2个DUF3444结构域;其余几类中仅含有1-2 个蛋白，它们除了 DnaJ结构域外，还分别含有 3395、zf-C2H2 jaz、zf-CSL、DUF1977、Sec63、RRM1、DUF3752、Dehydrin或者另外一个DnaJ结构域。

在搜索水稻DnaJ蛋白的同时，我们也搜索了拟南芥基因组中的DnaJ基因，并对其进行了结构域分析，发现拟南芥中有104个编码DnaJ蛋白的基因，而不是89个[6]。除了水稻中Os03g62120蛋白具有2个DnaJ结构域外，其他水稻的DnaJ蛋白都可以在拟南芥中找到对应的DnaJ蛋白同源物。此外，拟南芥中的AT4G19580蛋白含有WCCH结构域，但水稻中缺乏类似的结构域(表1)。

表1 水稻DnaJ蛋白及其表达证据分析1)Table1 The expression evidences and classes of rice DnaJ proteins

续表

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2.2 水稻DnaJ蛋白的表达分析

为了进一步分析水稻DnaJ蛋白成员，我们在http://rice.plantbiology.msu.edu/expression_expressed.Shtml数据库中搜索了基因表达证据。搜索结果还提供了每一个家族成员的不同转录本数目。结果发现，大部分水稻DnaJ基因至少有1个证据证明其是表达的，最高的多达910个EST。只有Os07g28800、Os11g36530、Os09g20320、Os03g62150、Os03g62140、Os03g62130、Os03g20730、Os02g35000、Os01g17040、Os01g17030和Os03g62120共11个基因没有表达证据(表1)。仅有少数基因有2个以上的转录本，其中17个基因有2个转录本，13个基因有3个转录本，仅Os02g54130有4个转录本，其余都为1个转录本。

2.3 水稻DnaJ蛋白的进化分析

为了分析水稻DnaJ蛋白之间以及与拟南芥DnaJ蛋白之间的亲缘关系，我们为第一类与第二类的DnaJ蛋白建立了系统发育树(图1)。结果表明，第一类与第二类明显分为两大群，第二类蛋白只有1个大亚群(图1)。第一类的又细分为 3个亚群:Os05g26926、Os05g26902和 Os05g26914、Os03g12236、Os02g56040与拟南芥的 AT2G22360、AT4G39960、AT3G17830、AT1G80030聚在一起，形成第一亚群，且Os05g26926、Os05g26902和Os05g26914高度同源，推测这3个水稻基因是通过基因的重复拷贝而获得;Os06g11440、Os06g02620、Os12g07060和拟南芥的 AT1G28210、AT5G48030聚在一起形成第二亚群;Os12g42440、Os04g46390、Os03g57340、Os03g44620、Os02g43930 与拟南芥的 AT3G44110、AT5G22060 形成第三亚群。从图1可以看出，每个水稻基因几乎都至少有1个最同源的拟南芥基因。

图1 第一类与第二类DnaJ蛋白的进化分析Fig.1 Phylogenetic tree of type 1 and type 2 DnaJ proteins

3 结论与讨论

DnaJ蛋白是个很大的蛋白家族，本研究中发现水稻中有101个编码该类蛋白的基因，拟南芥中有103个DnaJ基因，而不是前人所报道的89个[6]。水稻和拟南芥中该蛋白家族和其他生物的类似，根据所含结构域的不同可以分为三大类。而每一个水稻的基因都至少有1个最同源的拟南芥基因，这说明该类蛋白家族的进化早于单子叶植物与双子叶植物的进化，这种现象在其他蛋白家族中普遍存在[10，11]。

表达证据分析发现，除了11个基因没有表达证据外，其他基因都至少有1个表达证据，最多的达到910个，这说明DnaJ蛋白可能在水稻的整个生育期中起着重要的调控作用，是一类不可缺少的蛋白。

[1]KELLEY W L.The J-domain family and the recruitment of chaperone power[J].Trends Biochem Sci，1998，23:222-227.

[2]CYR D M，LANGER T，DOUGLAS M G.DnaJ-like proteins:molecular chaperones and specific regulators of Hsp70[J].Trends Biochem Sci，1994，19:176-181.

[3]WALSH P，BURSAĈ D，LAW Y C，et al.The J-protein family:modulating protein assembly，disassembly and translocation[J].EMBO Rep，2004，5:567-571.

[4]LIBEREK K，LEWANDOWSKA A，ZIETKIEWICZ S.Chaperones in control of protein disaggregation[J].EMBO J，2008，27(2):328-335.

[5]QIU X B，SHAO Y M，MIAO S，et al.The diversity of the DnaJ/Hsp40 family，the crucial partners for Hsp70 chaperones[J].Cell Mol Life Sci，2006，63(22):2560-2570.

[6]MIERNYK J A.The J-domain proteins of Arabidopsis thaliana:an unexpectedly large and diverse family of chaperones[J].Cell Stress ＆ Chaperones，2001，6(3):209-218.

[7]YAMAMOTO T，MORI Y，ISHIBASHI T，et al.Interaction between proliferating cell nuclear antigen(PCNA)and a DnaJ induced by DNA damage[J].J Plant Res，2005，18(2):91-97.

[8]LU L，DU Z，QIN M，et al.Pc4，a putative movement protein of Rice stripe virus，interacts with a type I DnaJ protein and a small Hsp of rice[J].Virus Genes，2009，38(2):320-327.

[9]LEMMON S K.Clathrin uncoating:auxilin comes to life[J].Curr Biol，2001，11:R49-R52.

[10]王爱荣，刘向国，赵旭，等.水稻腈水解酶蛋白家族的生物信息学分析[J].中国农学通报，2009，25(23):52-57.

[11]金谷雷，汪旭升，朱军.水稻14-3-3蛋白家族的生物信息学分析[J].遗传学报，2005，32(7):726-732.