劉洪偉 楊艷芳 熊王丹 吳平治 吳國江 邱德有*

(1.林木遺傳育種國家重點實驗室，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091； 2.中國科學(xué)院華南植物園植物資源保護與可持續(xù)利用重點實驗室，廣州 510650)

不同植物中推定蓖麻烯合酶基因的生物信息學(xué)分析

劉洪偉1楊艷芳1熊王丹2吳平治2吳國江2邱德有1*

(1.林木遺傳育種國家重點實驗室，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；2.中國科學(xué)院華南植物園植物資源保護與可持續(xù)利用重點實驗室，廣州 510650)

利用GenBank中已登錄的完整的麻風(fēng)樹、乳漿大戟、蓖麻和烏桕中的13個蓖麻烯合酶(Casbene synthase,CS;EC 4.6.1.7)基因序列，通過生物信息學(xué)方法對其核酸及氨基酸序列、組成成分、導(dǎo)肽、信號肽、跨膜結(jié)構(gòu)域、疏水性/親水性、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)及功能域等進行了分析預(yù)測。結(jié)果表明，13個CS基因的ORF長度均在1 647～1 845 bp，蛋白分子量均在63.0～70.8 kD，終止密碼子為TGA或TAA，理論等電點均小于7.0，表明CS蛋白呈酸性。氨基酸含量最高的均為亮氨酸。核苷酸同源性比較分析表明，CS基因主要分為兩類。導(dǎo)肽預(yù)測發(fā)現(xiàn)其中6個CS具有導(dǎo)肽，均為葉綠體導(dǎo)肽。信號肽和擴模結(jié)構(gòu)域預(yù)測發(fā)現(xiàn)這些CS不存在信號肽和跨膜結(jié)構(gòu)域，肽鏈整體呈現(xiàn)為親水性。這些CS的主要二級結(jié)構(gòu)元件為α-螺旋，并且都包含兩個萜類合酶功能域。以上研究為進一步探索CS基因的功能提供一定理論依據(jù)。

巴豆烷；蓖麻烯合酶；生物信息學(xué)

二萜類化合物通常都是由牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸(Geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP)環(huán)化得到。巴豆烷是一類非常重要的二萜化合物的母核，這類化合物統(tǒng)稱為佛波酯類化合物，它是麻風(fēng)樹(JatrophacurcasL.)主要毒性因素之一，并因為它的癌癥誘導(dǎo)作用而受到廣泛關(guān)注[1]。近年熱門化合物prostratin也是一種佛波酯類化合物，它是在1992年由美國國立癌癥研究所(NCS)分離得到，并在2001年證實其具有抵抗艾滋病病毒的作用[2]。因此，研究佛波酯類化合物的母核的生物合成途徑很有必要，很多科學(xué)家也對這類化合物的母核生物合成途徑產(chǎn)生了濃厚的興趣。

巴豆烷類化合物的生物合成途徑涉及多個酶促反應(yīng)，而且路徑尚不明晰，但是人們基本確定巴豆烷型二萜生物合成過程中的關(guān)鍵酶是蓖麻烯合酶(Casbene synthase,CS;EC 4.6.1.7)，它首先催化GGPP環(huán)化生成反應(yīng)中間體西松烷(Cembrane)，接著西松烷通過其他途徑變成蓖麻烯(Casbene)，蓖麻烯再通過一系列電子轉(zhuǎn)移形成巴豆烷(Tigliane)[3]。目前科學(xué)家已從蓖麻(Ricinuscommunis)、烏桕(Triadicasebifera)、乳漿大戟(Euphorbiaesula)、白角麒麟(Euphorbiaresinifera)和Mamala樹(Homalanthusnutans)等多種植物中克隆得到CS基因[4]。由于麻風(fēng)樹具有作為生物能源材料的潛質(zhì)，Sato等在2010年完成了其基因組測序，發(fā)現(xiàn)了9個CS類似基因(經(jīng)分析認為其中一個為假基因)，并公布了其中6個基因的氨基酸序列[5]。

生物信息學(xué)是當(dāng)代生命科學(xué)與信息科學(xué)、計算機科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多種學(xué)科彼此滲透而高度交織形成的一門新興的前沿學(xué)科[6]。它可以通過DNA或cDNA序列的信息分析作為出發(fā)點，研究基因的功能，預(yù)測研究基因的產(chǎn)物即蛋白質(zhì)，預(yù)測蛋白質(zhì)的定位及行使功能的區(qū)域，模擬蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，分析蛋白質(zhì)的性質(zhì)等[7]。本研究通過生物信息學(xué)的方法，以麻風(fēng)樹的CS基因為重點，對從GenBank數(shù)據(jù)庫中得到的13個完整的麻風(fēng)樹、乳漿大戟、蓖麻和烏桕蓖麻烯合酶CS基因的核苷酸及氨基酸序列的組成、生化特性、結(jié)構(gòu)特點等進行推測和分析，為今后深入研究該類酶的功能和結(jié)構(gòu)特征提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

利用GenBank數(shù)據(jù)庫進行搜索，找到13個完整CS基因，其中乳漿大戟中1個(GenBank No.：ADB90273)，麻風(fēng)樹中6個(BAJ53213、BAJ53216、BAJ53218、BAJ53219.1、BAJ53220、BAJ53221)，蓖麻中5個(XP_002513369、XP_002513343、XP_002513340、XP_002513334、XP_002519897)，烏桕中1個(ADB90272)。分別重新命名為：乳漿大戟EeCS，麻風(fēng)樹JcCS1-6，蓖麻RcCS1-5和烏桕TsCS。

1.2 試驗方法

依據(jù)NCBI、CBS、ExPASy、SWISS-MODEL等網(wǎng)站提供的各類生物信息學(xué)軟件進行在線分析。其中CS的查找在NCBI的GenBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank)進行；CS開放閱讀框(open reading frame,ORF)的確定使用NCBI-ORF Finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)完成；核酸和氨基酸序列的組成成分、理化性質(zhì)分析則利用ProtParam(http://www.expasy.ch/tools/protparam.html)在線工具進行；氨基酸序列的同源性比對及進化樹的構(gòu)建利用BioEdit和MEGA4.0完成；蛋白質(zhì)導(dǎo)肽預(yù)測通過TargetP1.1(http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/)以及ChloroP 1.1(http://www.cbs.dtu.dk/services/ChloroP/)完成；蛋白的信號肽使用SignalP3.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)進行預(yù)測；預(yù)測蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域以及親水性/疏水性時使用在線工具TMHMM2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)和ProtScale(http://www.expasy.ch/tools/protscale.html)進行；利用SMART(http://smart.embl-heidelberg.de/smart/set_mode.cgi?GENOMIC=1)完成蛋白功能域的預(yù)測；蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測利用軟件SOPMA(http://npsa-pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page/NPSA/npsa_sopma.html)進行；蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)預(yù)測利用ESyPred3D(http://www.fundp.ac.be/sciences/biologie/urbm/bioinfo/esypred/)在線工具完成；蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)模型穩(wěn)定性分析利用Swiss-Model的ProCheck(http://swissmodel.expasy.org/workspace/index.php?func=tools_structureassessment1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 核苷酸及氨基酸序列的組成及生化特性分析

用NCBI-ORF Finder、DNAMAN及ProtParam[8]在線工具對上述CS基因的核苷酸序列和氨基酸序列進行分析，結(jié)果顯示(表1)13個CS基因編碼的完整ORF長度在1 647～1 845 bp，預(yù)測蛋白分子量在63.0～70.8 kD，終止密碼子為TGA或TAA，在麻風(fēng)樹中使用TGA較多。預(yù)測蛋白理論等電點均小于7.0，說明CS蛋白呈酸性。麻風(fēng)樹的JcCS 3蛋白中酸性氨基酸含量最高為15.3%，JcCS1蛋白中堿性氨基酸含量最高為12.1%。在這些植物CS蛋白中含量最高的氨基酸均為Leu，但其他氨基酸含量變化較大。JcCS 1和RcCS 1為穩(wěn)定蛋白，其余CS蛋白均為不穩(wěn)定蛋白。

表1不同植物CS基因及對應(yīng)氨基酸序列的組成成分及理化性質(zhì)分析

Table1Compositionandphysicochemicalcharactercomparisonsofthe13CSgenesandthe13deducedproteins

基因Gene開放閱讀框長度Openreadingframe(bp)推導(dǎo)氨基酸殘基Deducedaminoacidsresidues(aa)分子量Molecularweight(kD)理論等電點值Theoreticalisoelectricpoint(PI)含量最豐富的氨基酸Themostabundantaminoacidsresidues酸性氨基酸比例Acidicaminoacidsratio(%)堿性氨基酸比例Basicaminoacidsratio(%)不穩(wěn)定系數(shù)Instabilityindex(%)終止密碼子TerminatorcodonEeCS179759869．27915．69LeuSerLysGluAsp13．911．743．49不穩(wěn)定TAAJcCS1180960269．44555．95LeuGluLysSerVal13．512．137．25穩(wěn)定TGAJcCS2165655163．9465．29LeuGluAlaLysSer14．511．341．82不穩(wěn)定TAAJcCS3167155664．30235．06LeuGluSerLysVal15．311．244．20不穩(wěn)定TGAJcCS4167155664．01695．25LeuGluSerLysAla14．711．345．14不穩(wěn)定TGAJcCS5164754863．01765．23LeuGluSerAlaLys14．610．945．94不穩(wěn)定TGAJcCS6166855564．20945．39LeuGluLysSerAla14．411．743．55不穩(wěn)定TGARcCS1166855564．35915．32LeuGluSerAlaIle14．811．737．29穩(wěn)定TAARcCS2180059968．77535．44LeuSerGluAlaVal14．010．942．01不穩(wěn)定TGARcCS3180660168．96555．35LeuSerGluAlaLys14．010．641．00不穩(wěn)定TGARcCS4184561470．81476．10LeuSerGluAlaLys12．911．643．28不穩(wěn)定TAARcCS5165655163．81965．29LeuGluAlaLysSer15．111．644．41不穩(wěn)定TAATsCS179459768．91455．40LeuGluSerValLys13．910．746．56不穩(wěn)定TGA

2.2氨基酸序列的多比對分析及系統(tǒng)進化樹的構(gòu)建

根據(jù)氨基酸序列的相似性，利用BioEdit和MEGA4.0[9]軟件對13個CS氨基酸序列進行多序列比對，并對其構(gòu)建系統(tǒng)進化樹，采用默認參數(shù)，自檢1 000次。結(jié)果如圖1所示，13個CS基因被分成了兩大類，其中JcCS2-6、RcCS1和RcCS5八個CS基因被聚成了一大類，其中JcCS3-6聚成了一個亞類，RcCS5、JcCS2和RcCS1聚成了一個亞類；JcCS1、EeCS、TsCS及RcCS2-4為一大類，其中JcCS1單獨聚成了一個亞類，EeCS、TsCS和RcCS2-4聚成了一個亞類。這說明麻風(fēng)樹和蓖麻中的CS基因都有兩個進化起源，而且相互之間也出現(xiàn)了進化分歧。

圖1 不同植物CS氨基酸序列的系統(tǒng)進化樹Fig.1 Phylogenetic tree of 13 CS amino acid sequences

2.3 導(dǎo)肽的預(yù)測和分析

有些蛋白能夠在細胞中行使其特定功能，需要在合成多肽后先被定位運輸?shù)教囟ǖ募毎课?，如葉綠體、線粒體等，再裝配形成具有一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。進行新合成多肽定位的氨基酸序列就是導(dǎo)肽(leader peptite)[10]。導(dǎo)肽通常含有豐富的帶正電荷的堿性氨基酸(特別是精氨酸和賴氨酸)，如果這些帶正電荷的氨基酸被不帶電荷的氨基酸取代，這段氨基酸序列就不起引導(dǎo)作用，說明這些帶正電荷的氨基酸對于蛋白質(zhì)的定位具有非常重要的意義[11]。本實驗中，利用在線工具TargetP1.1Server[12]，選擇plant version及默認參數(shù)，對13個CS氨基酸系列進行預(yù)測，結(jié)果如表2所示。通過預(yù)測得到EeCS、JcCS1、RcCS2、RcCS3、RcCS4及TcCS可能具有葉綠體導(dǎo)肽，其中EeCS、JcCS1、RcCS3、RcCS4可靠級別在Ⅲ級以內(nèi)，RcCS2和TcCS可靠級別為Ⅴ級，預(yù)測導(dǎo)肽長度在51～72個氨基酸殘基。JcCS2、JcCS3、JcCS4、JcCS5、JcCS6、RcCS1及RcCS5沒有氨基酸殘基分裂位點，因此可能不存在導(dǎo)肽酶切位點，不具導(dǎo)肽。再通過ChloroP 1.1[13]驗證發(fā)現(xiàn)，EeCS、JcCS1、JcCS2、RcCS3、RcCS4及TcCS具有葉綠體導(dǎo)肽，兩者數(shù)據(jù)并不完全統(tǒng)一。

表2 不同CS氨基酸序列的導(dǎo)肽預(yù)測

注：Len.長度；cTP.葉綠體導(dǎo)肽；mTP.線粒體導(dǎo)肽；SP.分泌途徑；Loc.定位；C.葉綠體導(dǎo)肽；RC.可靠級別，越小越高；TPlen.預(yù)測導(dǎo)肽長度；*. ChloroP 1.1預(yù)測結(jié)果

Note:Len. Sequence length; cTP. Chloroplast transit peptide; mTP. Mitochondrial targeting peptide; SP. Secretory pathway; Loc. Prediction of localization; C. Chloroplast; RC. Reliability class; TPlen. Predicted presequence length; *. The analysis results of ChloroP 1.1

圖2 JcCS1氨基酸序列信號肽的預(yù)測分析Fig.2 Predicted signal peptide of JcCS1 amino acid sequence

圖3 JcCS1氨基酸序列跨膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測分析Fig.3 Predicted transmembrane domain of JcCS 1 amino acid sequence

2.4 信號肽的預(yù)測與分析

信號肽指導(dǎo)分泌性蛋白到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成，它通常位于蛋白質(zhì)的N端，在蛋白質(zhì)合成結(jié)束之前就會被切除，它一般有16～26個氨基酸殘基。利用在線工具SignalP3.0Server[14]預(yù)測JcCS1氨基酸序列的信號肽存在位置及序列(圖2)，結(jié)果表明JcCS1的氨基酸序列不存在信號肽。結(jié)合導(dǎo)肽預(yù)測的結(jié)果可以推測JcCS1在游離核糖體上合成以后，直接運輸?shù)饺~綠體中發(fā)揮作用。運用同樣的方法對另外12個CS的氨基酸序列進行分析，均不存在信號肽。

2.5 跨膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測與分析

跨膜結(jié)構(gòu)域一般由20個左右疏水性氨基酸殘基組成，通常是跨膜蛋白的功能區(qū)域，主要形式為α-螺旋。利用TMHMM2.0 Server[15]在線預(yù)測JcCS1氨基酸序列的跨膜結(jié)構(gòu)域(圖3)，結(jié)果表明JcCS1整條肽鏈都在膜的一側(cè)，不具有跨膜結(jié)構(gòu)。運用相同的方法對其他CS氨基酸序列進行分析，均不存在跨膜結(jié)構(gòu)域。

2.6 疏水性/親水性的預(yù)測和分析

蛋白質(zhì)折疊時形成疏水內(nèi)核和親水表面，據(jù)此可以測定跨膜螺旋等二級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)表面氨基酸分布[16]。利用在線工具ProtScal[17]，選定默認參數(shù)，預(yù)測JcCS1氨基酸序列的疏水性/親水性(圖4)。預(yù)測結(jié)果顯示，多肽鏈在第507位(Q)具有最小值-2.889，親水性最強；在第345位(V)和第349位(I)具有最大值2.611，疏水性最強。從整體上來看，預(yù)測結(jié)果為親水性。運用相同的方法對其余CS氨基酸序列進行預(yù)測，結(jié)果和JcCS1相似，均為親水性蛋白。

圖4 JcCS1氨基酸序列疏水性/親水性的預(yù)測分析Fig.4 Predicted hydrophobicity or hydrophilicity of JcCS1 amino acid sequence

2.7 二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測與分析

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)通常有α-螺旋(α-helix)、β折疊(β-sheet)、轉(zhuǎn)角(turn)、無規(guī)則卷曲(coil)以及基序(motif)等[16]。用SOPMA[18]對JcCS 1氨基酸序列的二級結(jié)構(gòu)進行預(yù)測(圖5)，結(jié)果表明JcCS 1蛋白的主要結(jié)構(gòu)原件是α-螺旋，其次是無規(guī)則卷曲，β-轉(zhuǎn)角和延伸鏈的含量都很少。對其他CS蛋白進行預(yù)測，結(jié)果如表3所示，主要結(jié)構(gòu)原件都是α-螺旋和無規(guī)則卷曲。

表313個CS基因蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成組件比例

Tabel3Constitutedthemaincomponentsofproteinsecondarystructureratioofthe13CSgenes

組件名稱Componentnameα?螺旋Alphahelix(%)β?轉(zhuǎn)角Betaturn(%)延伸鏈Extendedstrand(%)無規(guī)則卷曲Randomcoil(%)EeCS67．062．684．1826．09JcCS164．122．825．4827．57JcCS271．693．093．4521．78JcCS369．963．422．7023．92JcCS469．062．523．6024．82JcCS570．073．284．2022．45JcCS669．913．602．7023．78RcCS171．352．883．6022．16RcCS266．113．344．3426．21RcCS365．393．164．4926．96RcCS461．892．775．0530．29RcCS572．052．723．6321．60TsCS66．832．683．6926．80

圖5 JcCS1氨基酸序列二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測Fig.5 Predicted second structure of JcCS1 amino acid sequence

2.8 功能域的預(yù)測和分析

功能域(functional domain)是能獨立存在于蛋白質(zhì)分子中的功能單位，功能域可以是一個或多個結(jié)構(gòu)域[19]。結(jié)構(gòu)域是一種介于二級與三級結(jié)構(gòu)之間的獨立的結(jié)構(gòu)和功能單位，具有一定的生物學(xué)功能[20]。利用在線工具SMART[21]分析JcCS1氨基酸序列功能結(jié)構(gòu)域的結(jié)果表明，它具有兩個結(jié)構(gòu)域Terpene-synth和Terpene-synth-C。Terpene-synth為N-末端結(jié)構(gòu)域從第72位氨基酸開始到247位氨基酸結(jié)束，它行使轉(zhuǎn)運肽功能，將蛋白轉(zhuǎn)運到對應(yīng)的質(zhì)體中發(fā)揮作用；Terpene-synth-C為金屬結(jié)合位點區(qū)域從第277位氨基酸開始到546位氨基酸結(jié)束，可以與Mn2+結(jié)合從而行使催化功能[22]。利用相同的方法對其他CS氨基酸序列進行預(yù)測，結(jié)果與JcCS1相同，均包含這兩個功能域，只是起始位置略有偏差。

2.9 三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測與分析

利用ESyPred3D Web Server 1.0[23]同源建模的方法，選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和新展示技術(shù)預(yù)測CS蛋白的三級結(jié)構(gòu)，如圖7所示為麻風(fēng)樹(JcCS 1)、乳漿大戟、蓖麻(RcCS 1)和烏桕CS蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。由三級結(jié)構(gòu)可以看出蓖麻烯合酶屬Ⅰ類萜類合酶(α區(qū)，藍色區(qū))[24]，其包含金屬離子結(jié)合區(qū)DDXXD和(N/D)DXX(S/T)XXXE(分別為紅色和橙色區(qū)域)[25]；同時連著一個小的退化區(qū)(β區(qū)，綠色區(qū))，這類區(qū)主要在Ⅱ類萜類合酶中發(fā)揮作用[26]；紫色區(qū)域為第一個α螺旋,在I類萜類合酶中起給活性中心加蓋的作用[25]。

圖6 JcCS1蛋白結(jié)構(gòu)域位點預(yù)測Fig.6 Predicted protein domain sites of JcCS1 amino acid sequence

圖7 麻風(fēng)樹JcCS1(A)、乳漿大戟EeCS(B)、蓖麻RcCS1(C)和烏桕TsCS(D)CS的三維高級結(jié)構(gòu)預(yù)測 藍色. α區(qū)；紅色. 金屬離子結(jié)合區(qū)DDXXD；橙色. 金屬離子結(jié)合區(qū)(N/D)DXX(S/T)XXXE；綠色. β區(qū)；紫色. 第一個α螺旋Fig.7 Predicted three-dimensional structure of JcCS1(A),EeCS(B),RcCS1(C) and TsCS(D) Blue. α domain; Red. Metal-binding motif DDXXD; Orange. Metal-binding motif (N/D)DXX(S/T)XXXE; Green. β domain; Purple. The first α helix

利用ProCheck[27]對建模結(jié)果進行監(jiān)測，計算出Ramachandran圖。Ramachandran圖是反映立體化學(xué)質(zhì)量的參數(shù)，它通過分析Phi(φ)角和Psi(ψ)角的分布方式大致評估模擬的結(jié)構(gòu)與自然結(jié)構(gòu)相同程度[11]。如果預(yù)測的蛋白質(zhì)殘基二面角(90%)位于黃色核心區(qū)域，則表明其空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[16]。如圖8所示檢測麻風(fēng)樹(JcCS 1)、乳漿大戟、蓖麻(RcCS 1)和烏桕CS蛋白質(zhì)殘基的二面角有90%以上位于黃色區(qū)域，表明其有穩(wěn)定的空間構(gòu)象。對其余CS蛋白質(zhì)殘基的二面角進行預(yù)測，只有JcCS 4蛋白質(zhì)殘基的二面角為89.0%，略小于90%，存在不夠穩(wěn)定的可能性，其他均有穩(wěn)定空間構(gòu)象。

圖8 麻風(fēng)樹JcCS1(A)、乳漿大戟EeCS(B)、蓖麻RcCS1(C)和烏桕TsCS(D)CS Swiss-Model三維建模的Ramachandran圖Fig.8 Ramachandran map of JcCS1(A),EeCS(B),RcCS1(C) and TsCS(D) by using Swiss-Model method

3 討論

作為一種潛在的可工業(yè)化開發(fā)的生物能源植物，麻風(fēng)樹自身毒性對其開發(fā)有很大限制，而它的毒性有一部分原因是由于其含有波酯類化合物。佛波酯類化合物的母核為巴豆烷，巴豆烷合成途徑中蓖麻烯合酶是一個關(guān)鍵酶，對它的了解有助于麻風(fēng)樹的去毒研究和進一步的開發(fā)利用。例如，可以在后續(xù)研究中可以通過敲除麻風(fēng)樹的CS基因，來試驗是否可以幫助其完成去毒。

通過生物信息學(xué)分析，本文發(fā)現(xiàn)麻風(fēng)樹等13個CS都屬于酸性蛋白質(zhì)，等電點在5.0～6.1，通過親水性/疏水性分析發(fā)現(xiàn)CS為親水性蛋白，為該蛋白的成功分離提供一定理論依據(jù)。由于CS在細胞中的底物GGPP主要存在于葉綠體當(dāng)中，其葉綠體導(dǎo)肽的存在與否將是行使其功能的關(guān)鍵[4]，而預(yù)測數(shù)據(jù)顯示只有EeCS、JcCS1、RcCS2、RcCS3、RcCS4及TcCS具有葉綠體導(dǎo)肽，通過ChloroP 1.1驗證發(fā)現(xiàn)，EeCS、JcCS1、JcCS2、RcCS3、RcCS4及TcCS具有葉綠體導(dǎo)肽，兩者數(shù)據(jù)在對JcCS2和RcCS2兩個蛋白的預(yù)測有些出入。分析原因可能是由于現(xiàn)在導(dǎo)肽數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)數(shù)量有限導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果并不完全準確，還需要進一步實驗驗證。信號肽和擴膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測都顯示CS是在細胞內(nèi)行使功能，這符合了我們對CS的預(yù)期判斷。對CS進行的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)分析顯示，CS是Ⅰ類萜類合酶，這為該酶的體外活性檢測提供了一定理論依據(jù)。本研究初步分析預(yù)測了來自麻風(fēng)樹等物種的13個CS基因的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，為進一步研究CS的功能、探索佛波酯類化合物合成途徑以及麻風(fēng)樹的開發(fā)利用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

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The National Natural Science Foundation of China(31270705);National non-profit Research Institutions of Chinese Academy of Forestry(RIF2014-01)

introduction：LIU Hong-Wei(1987—),male,Dr.,Maily engagerd in the study of plant secondary metabolism.

date:2016-01-13

BioinformaticsAnalysisofCasbeneSynthaseGenesinDifferentPlants

LIU Hong-Wei1YANG Yan-Fang1XIONG Wang-Dan2WU Ping-Zhi2WU Guo-Jiang2QIU De-You1*

(1.State Key Laboratory of Forest Tree Genetics and Breeding,the Research Institute of Forestry,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091；2.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Sustainable Utilization,South China Botanical Garden,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510650)

We used bioinformatics to study 13 casbene synthase (CS; EC 4.6.1.7) full-length gene sequences registered in the GenBank fromEuphorbiaesula,JatrophacurcasL.,RicinuscommunisandTriadicasebifera, and predicted the composition of nucleic acid and amino acid sequences, leader peptides, signal peptide, trans-membrane topological structure, hydrophobicity or hydrophilicity, the secondary and tertiary structure as well as the function domains. The 13 genes encoding ORFs were 1 647-1 845 bp, the molecular weight of the 13 predicted proteins were 63.0-70.8 kD, and the termination codons were TGA or TAA. The theoretical isoelectric points of the 13 proteins were lower than 7.0, which suggested that CS proteins were acidic. Leu was the most contented amino acid. By the homologous alignment of nucleic acid, CS genes were divided into two groups. The prediction of leading peptides showed that at least 6 CSs had leader peptide (chloroplast leader peptide mainly) in common. All 13 CSs had no signal peptide and trans-membrane topological structure in and the peptide chains were hydrophilicity. α-helix was the dominant secondary structure constructional element of the 13 proteins which contained two terpenoid synthases function domains.

tigliane；casbene synthase；bioinformatics

國家自然科學(xué)基金(31270705)；中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項(RIF2014-01)

劉洪偉(1987—)，男，博士研究生，主要從事植物次生代謝方向的研究。

* 通信作者：E-mail：qiudy@caf.ac.cn

2016-01-13

* Corresponding author：E-mail：qiudy@caf.ac.cn

S565.6

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.04.017