单位文秘网 2021-07-10 08:19:59 点击: 次
摘要:对植物基因组数据库和过氧化物酶数据库中玉米谷胱甘肽过氧化物酶(Zea mays Glutathione peroxidase,ZmGPXs)进行查找和比对,确定了6个ZmGPXs,采用生物信息学方法对其进行了理化性质、亚细胞定位、结构域、高级结构、外显子和内含子构成等分析。结果表明,尽管6个ZmGPXs序列的氨基酸数量不同,但均属于碱性蛋白质,具有6个外显子和5个内含子,其中5个ZmGPXs高级结构表现为二聚体,具有植物GPXs的特征基序。亚细胞定位分析发现ZmGPXs主要定位于线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞质中。结构域分析表明ZmGPXs属于硫氧还蛋白超家族。
关键词:谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidase,GPX);玉米(Zea mays);生物信息学
中图分类号:Q554+6 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2013)11-2675-05
1 方法
1.1 数据来源
数据资料来源于植物基因组数据库(Phytozome,http://.cn/qkpdf/hbny/hbny201311/hbny20131159.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文
利用DNAMAN对6个ZmGPXs进行多序列比对分析(图2)。结果显示,6个序列都具有3个保守性较高的结构域:KVLLINVAS、FEILAFPCNQF和KWNFSKFLVD,皆为GPXs的特征基序;具有3个保守的催化残基,即C、Q和W。因此6个序列都属于GPXs家族成员。此外,6个序列都具有3个半胱氨酸残基(C),该位点在动物的PHGPXs中为硒代半胱氨酸残基。
2.5 ZmGPXs的外显子和内含子构成
利用植物基因组数据库对编码ZmGPXs的基因序列ORF(Open reading frame)的外显子和内含子的构成进行分析。结果显示ZmGPXs的ORF区均由6个外显子和5个内含子构成,内含子的剪切位点符合真核生物GT-AG规则,外显子的长度具有高度保守性,内含子的长度差异较大。每个基因的第2个至第5个外显子的长度分别是77 bp、62 bp左右、119 bp、168 bp左右。第1个外显子长度差异较大,ZmGPX03和ZmGPX04第1个外显子的长度大于200 bp,其他序列的第1个外显子的长度介于39~54 bp之间。除ZmGPX01的第6个外显子长度为89 bp外,其他5个ZmGPXs的第6个外显子的长度介于30~36 bp之间。将ZmGPXs序列的3个保守结构域(即GPXs特征基序)与基因序列比对分析,显示3个保守结构域(KVLLINVAS、FEILAFPCNQF和KWNFSKFLVD)分别对应在第2和3个、第4个、第5个外显子上,并且位置相对保守(图3)。
2.6 系统进化树分析
利用MEGA 5.0构建ZmGPXs家族的氨基酸序列系统进化树(图4)以及ZmGPXs家族与AtGPXs家族的氨基酸序列系统进化树(图5)。图4显示6个ZmGPXs可聚分为两类,一类包括4个(ZmGPX01、ZmGPX01-2、ZmGPX02和ZmGPX03-2),另一类包括2个(ZmGPX03和ZmGPX04)。
比较6个ZmGPXs和8个AtGPXs在进化上的关系,除了AtGPX4与ZmGPX02、AtGPX6与ZmGPX04同源性较高外,总体上ZmGPXs与AtGPXs的同源性较低。
2.7 高级结构预测
同一段氨基酸序列因为具有不同的高级折叠结构而具有不同的生物功能,因此预测基因的蛋白质高级结构对于研究基因的功能有重要的意义。利用SWISS-MODEL对ZmGPXs的高级结构进行预测,如图6所示。结合图6以及表2中的统计结果可以看出,除ZmGPX02为单体形式(5个α-螺旋、6个β-折叠片与一些转角和无规则卷曲相互连接而形成)外,其他5个ZmGPXs的三维结构均为二聚体结构,基本由12个α-螺旋、8~12个β-折叠片与一些转角和无规则卷曲相互连接而形成,此外,ZmGPX02的折叠结构与其他ZmGPXs的二聚体中单体的折叠结构也存在明显差异。说明两种结构类型的ZmGPXs发挥功能的方式可能不同。
3 小结与讨论
根据两个数据库的比对分析,获得了编码ZmGPXs的6个基因序列,分别位于2号和5号染色体上,其蛋白质分子量为18.347~26.811 ku,均不存在跨膜结构域。ZmGPX03、ZmGPX01和ZmGPX01-2的磷酸化位点较多。一般来说,多肽链中的氨基酸潜在的磷酸化位点越多,发挥更多功能的可能性就越大。
对ZmGPXs进行亚细胞定位预测的结果表明,6个ZmGPXs主要定位于线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞质中,其中ZmGPX04和ZmGPX01-2均在线粒体和叶绿体中分布,ZmGPX01、ZmGPX03和ZmGPX03-2在线粒体、叶绿体和过氧化物酶体上均有分布。蛋白质的亚细胞定位与其功能相关,上述亚细胞定位预测分析结果提示GPXs发挥作用的位点与产生活性氧的部位有关。
对ZmGPXs结构域的分析结果显示,6个ZmGPXs均具有3个催化残基和二聚体界面。ZmGPX03和ZmGPX04与其他4个ZmGPXs相比多约70个氨基酸,但是催化残基和二聚体界面距离C端较近,说明GPXs功能发挥的位点靠近C端,而N端序列可能主要与蛋白质的亚细胞定位有关。
GPXs的3个标志性基序(KVLLINVAS、FEILAFPCNQF和KWNFSKFLVD)在6个ZmGPXs中高度保守,且这些特征基序在拟南芥AtGPXs中也具有较高的保守性,说明在植物进化过程中,GPXs的特征基序在其执行功能时发挥着重要的作用,保守性很强。
ZmGPXs基因序列具有6个外显子和5个内含子,其中保守结构域所对应的外显子(第2~5个)长度保守性较强,第1个和第6个外显子长度变化较大,内含子的长度差异明显,这种特点也体现在8个AtGPXs中。编码GPXs的基因序列在不同物种的基因组中高度保守,原因可能是保守的外显子序列是植物GPXs行使功能必需的序列。差异外显子序列主要表现在第1个和第6个外显子,可能与行使其特有功能有关。内含子的差异可能是不同基因存在的不同调控机制,同时也体现了进化变异的特点。
虽然结构域分析显示6个ZmGPXs都具有二聚体界面,但是ZmGPXs编码的蛋白质高级结构预测结果显示6个ZmGPXs在作用形式上分为两类,一类以单体形式存在(ZmGPX02),一类以二聚体形式存在,说明ZmGPXs可能以二聚体形式发挥功能,也可能以单体的形式发挥作用。
从进化关系上看,ZmGPXs与AtGPXs的同源性较低。但是ZmGPXs与AtGPXs在结构域上的高度保守性提示植物GPXs进化过程中保留了其基本的催化功能,而ZmGPXs与AtGPXs在序列与结构上的差异显示在不同植物物种中GPXs具有一定的差异。
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