苦参8-异戊烯基转移酶基因蛋白家族生物信息学分析

张 宁，温银元，王金荣，贺美林，兰 敏

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

苦参（Sophora flavescens）是我国传统中药材之一，别名草槐、好汉枝、地槐、凤凰爪、苦骨、川参等，为豆科植物槐属，药用部位是干燥根，生长于向阳的路旁处和草地、山坡，在全国各地均有分布。经分离鉴定，苦参根中主要含有的化学成分有两大类：黄酮类和生物碱类化合物，其也是苦参药理作用的主要药效成分[1]。其中，黄酮类化合物从苦参根中已分离的有32种，部分为黄酮醇类、黄酮类、查耳酮类、异黄酮类和双环系黄酮类，主要是二氢黄酮和二氢黄酮醇类[2]。苦参在中医临床具有抗增殖、抗炎、清热解毒、燥湿利尿、祛风、抗肿瘤、免疫调节和促凋亡特性、杀虫等作用[3-4]。KIM等[5]研究发现，苦参对糖尿病有一定的抑制作用。

本研究利用数据库中苦参8-异戊烯基转移酶的序列信息，通过生物信息学的方法系统研究苦参8-异戊烯基转移酶家族的序列信息，包括8-异戊烯基转移酶所编码氨基酸的目的和特性，旨在为进一步进行苦参的相关研究奠定基础。

1 材料和方法

1.1 材料

苦参8-异戊烯基转移酶蛋白家族序列来源于NCBI 数据库 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov），分别是：SfN8DT-1 （序列号为 AB325579.1），SfN8DT-2（序列号为 AB370330.1），SfN8DT-3（序列号为AB604222.1）。

1.2 方法

采用SignalP v4.1对8-异戊烯基转移酶蛋白家族序列进行信号肽预测；采用TargetPServer v1.1进行亚细胞定位分析；使用ProtParam对苦参8-异戊烯基转移酶基因家族编码蛋白进行理化性质分析；利用TargetP进行蛋白质亚细胞定位和多肽性分析；通过NCBI的CDD数据库进行功能结构域分析鉴定；利用TMHMM对跨膜区域进行分析；采用SOPMA对苦参8-异戊烯基转移酶家族蛋白进行分析，预测二级结构。采用在线分析软件Swissmodel进行分析，并建模三级结构；使用MEME和NCBI-CDD对苦参8-异戊烯基转移酶家族蛋白序列进行蛋白结构域分析。

2 结果与分析

2.1 蛋白一级结构分析

利用ProtParam对苦参8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白理化性质进行预测[6]，结果列于表1。由表1可知，8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白质序列在 NCBI数据库中的序号分别是：B1B3P3.1（SfN8DT-1），B1B5P4.1 （SfN8DT-2），BAK52289.1（SfN8DT-3）；SfN8DT-1和 SfN8DT-3基因编码氨基酸数相等，SfN8DT-2基因编码氨基酸数最少；SfN8DT-1 蛋白的分子质量最大（4.61 ku）；SfN8DT-2蛋白的分子质量最小 （4.57 ku）；SfN8DT-2 和SfN8DT-3的理论等电点较接近。3个SfN8DT蛋白的理论等电点在 8.93～9.23，均为碱性氨基酸。根据SfN8DT的不稳定系数发现，8-异戊烯基转移酶基因蛋白都为不稳定蛋白（不稳定系数大于40）[7]。亲水性指数表明，8-异戊烯基转移酶基因编码的蛋白是疏水性蛋白[8]，其脂溶指数[9]也都大于100。利用TargetP蛋白质亚细胞定位预测苦参8-异戊烯基转移酶基因蛋白可知，其均分布于叶绿体。

表1 8-异戊烯基转移酶蛋白家族理化性质分析

2.2 蛋白二级结构分析

使用SOPMA软件预测苦参SfN8DT蛋白的二级结构，结果如表2所示。苦参SfN8DT的蛋白质二级结构由α-螺旋、延伸链、无规则卷曲和β-转角组成，其中，SfN8DT-1，SfN8DT-2和SfN8DT-3中各组分数量从大到小排序均为：α-螺旋＞无规则卷曲＞延伸链＞β-转角；结构元件所占比例表明，α-螺旋和无规则卷曲占比较高[10]（图1）。结果表明，该家族蛋白二级结构组成基本相同。

表2 苦参8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白的二级结构

2.3 苦参8-异戊烯基转移酶基因家族跨膜域以及信号肽分析

利用TMHMMServer v2.0预测SfN8DT蛋白质的跨膜区蛋白家族分析发现，8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白都存在多个跨膜位点，SfN8DT-1存在9个跨膜折叠组成，第1个位置N点位于124；SfN8DT-2存在9个跨膜折叠组成，第1个位置N点位于121；SfN8DT-3存在7个跨膜折叠组成，第1个位置N点位于153。SfN8DT家族蛋白结构的特点是含有N端亲水区和中间至C端疏水区，苦参SfN8DT所编码的蛋白具有典型的N端胞质区-跨膜结构域-C跨膜结构域特征（图2），SfN8DT-3N端胞质区最大位于152个氨基酸位置[11]。使用SignalP v4.1进行蛋白分析预测（图3），结果表明，该蛋白家族不存在信号肽[12]。

2.4 蛋白结构域和三级结构分析

苦参8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白使用NCBI中CDD数据库进行功能结构域预测。由图4可知，8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白都存在保守结构域，属于PT_UbiA_HPT1超级蛋白家族[13]。将3个鉴定的8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白全长序列提交MEME数据库进行蛋白保守域预测[14]（图5），进一步采用 Swiss-model在线工具对 SfN8DT-1，SfN8DT-2和SfN8DT-3进行同源建模。由图6可知，SfN8DT-1，SfN8DT-2和 SfN8DT-3这 3个蛋白的模型在三维结构上没有明显区别[15]。

3 结论

本研究从生物信息学角度对苦参8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白进行了详细的分析，结果表明，3个8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白的理论等电点在 8.93～9.23，均为碱性氨基酸；根据 SfN8DT的不稳定系数发现，SfN8DT蛋白都为不稳定蛋白（不稳定系数大于40）。亲水性指数表明，8-异戊烯基转移酶基因家族编码的蛋白是疏水性蛋白，其脂溶指数都大于 100；SfN8DT-1，SfN8DT-2 和 SfN8DT-3中各组分数量从大到小排序均为：α-螺旋＞无规则卷曲＞延伸链＞β-转角，其中，α-螺旋和无规卷曲结构元件占比较高，该家族蛋白二级结构组成基本相同。8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白都存在多个跨膜位点，不存在信号肽；8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白都含保守结构域，属于PT_UbiA_HPT1超级蛋白家族，SfN8DT-1，SfN8DT-2和SfN8DT-3这3个蛋白的模型在三维结构上没有明显区别，结果为更深层次探究8-异戊烯基转移酶基因家族蛋白在黄酮类化合物合成过程奠定了理论基础。

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