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        煙草蛋白酶體α2型亞單位的克隆和序列分析

        2016-11-28 01:09:47付強(qiáng)鄒頡余婧趙杰宏任學(xué)良
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年9期
        關(guān)鍵詞:蛋白酶體煙草克隆

        付強(qiáng)+鄒頡+余婧+趙杰宏+任學(xué)良

        摘要:為研究煙草識(shí)別病毒并將其降解為蛋白酶體基因,以擬南芥的蛋白酶體α2型亞單位基因全長cDNA序列(GenBank登錄號(hào):AF043520.1)為信息探針,用電子克隆的方法從煙草栽培品種中克隆到1個(gè)蛋白酶體基因NtPAB1,并對(duì)其進(jìn)行序列分析。結(jié)果表明,NtPAB1包含完整的開放讀碼框,編碼219個(gè)氨基酸,含有1個(gè)保守域proteasome_alpha_type_2;通過同源比對(duì)和進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),NtPAB1氨基酸序列與葡萄PAB1的序列一致性達(dá)到98%。以上結(jié)果表明,NtPAB1是栽培煙草中未報(bào)道的編碼蛋白酶體基因。

        關(guān)鍵詞:栽培煙草;蛋白酶體α2型亞單位;蛋白降解;克?。恍蛄蟹治?/p>

        中圖分類號(hào): S188;S572.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):1002-1302(2016)09-0039-03

        馬鈴薯Y病毒屬的蚜傳輔助因子(HC-Pro)是釋放感染所需病毒蛋白的三大蛋白酶之一[1],HC-Pro抑制植物體內(nèi)起抗病毒作用的RNA干涉,但其具體分子機(jī)制尚無報(bào)道[2-3]。近期研究發(fā)現(xiàn),萵苣花葉病毒的HC-Pro能干涉泛素/26S蛋白酶體系統(tǒng)中核心元件20S蛋白酶體的活性,而泛素/26S蛋白酶體系統(tǒng)參與抗病毒反應(yīng)[4]。Ballut等研究發(fā)現(xiàn),煙草花葉病毒、萵苣花葉病毒的RNA能夠被蛋白酶體識(shí)別水解,這暗示20S蛋白酶體的核酸內(nèi)切酶活性可能參與植物體內(nèi)的抗病毒過程[5]。

        泛素/26S蛋白酶體在植物發(fā)育的方方面面起著重要作用,影響著一系列生理過程,包括胚胎發(fā)育和衰老[6]。泛素/26S蛋白酶體的核心元件是受到緊密調(diào)控并高度特異的26S蛋白酶體,由二級(jí)結(jié)構(gòu)為圓柱形的20S核心蛋白酶結(jié)合1個(gè)19S調(diào)控因子構(gòu)成[7]。筒形的20S蛋白酶體由4個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)構(gòu)成,包括在2個(gè)外側(cè)的環(huán)形結(jié)構(gòu)中的7個(gè)α亞基,而內(nèi)側(cè)的2個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)上具有7個(gè)β亞基,其大體的構(gòu)型為α1-α7/β1-β7//β1-β7/α1-α7/α1-α7[7]。盡管已經(jīng)從煙草、土豆、綠豆、豌豆等植物中純化得到20S蛋白酶體[8-10],但是目前尚無關(guān)于栽培煙草中蛋白酶體α2型亞單位基因序列的報(bào)道。

        隨著近年來多個(gè)物種全基因組測(cè)序的完成和表達(dá)序列標(biāo)簽(expressed sequence tags,ESTs)計(jì)劃的發(fā)展,電子克隆技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其技術(shù)核心是利用生物信息學(xué)技術(shù)組裝延伸ESTs序列,獲得基因的部分乃至全長cDNA序列。本研究采用電子克隆的方法獲得1個(gè)蛋白酶體α2型亞單位基因NtPAB1,并對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析,為進(jìn)一步研究煙草中外源蛋白、異常蛋白的降解奠定基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 煙草PAB1基因的電子克隆

        以擬南芥的蛋白酶體α2型亞單位基因全長cDNA序列(GenBank登錄號(hào):AF043520.1)為信息探針[11],對(duì)GenBank中EST_others數(shù)據(jù)庫指定物種煙草(Nicotiana tabacum)進(jìn)行Blast比對(duì),并利用菲莫公司林煙草和絨毛狀煙草的全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)[12],將比對(duì)到的煙草栽培品種美國普通煙草的全部EST序列使用Codon Code Aligner軟件進(jìn)行拼接,形成重疊群(contig)。利用拼接獲得的重疊群作為探針,再次進(jìn)行同源檢索、拼接,重復(fù)以上過程直至沒有更多EST被檢出,獲得普通煙草的PAB1 cDNA序列。最后,再以此片段在NCBI數(shù)據(jù)中進(jìn)行BLAST比對(duì),對(duì)比其他物種同源基因的相似性和一致性,判斷拼接所得cDNA片段的正確性以及讀碼框(open reading frame,ORF)序列的完整性。

        1.2 煙草PAB1基因的生物信息學(xué)分析

        序列比對(duì)、ORF查找和翻譯在“http://www.ebi.ac.uk/”提供的相應(yīng)模塊上完成。采用ExPASy網(wǎng)站上Prot-Param、pI/Mw對(duì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)進(jìn)行基本分析;利用在線資源的SignalP 4.1、TargetP1.1、NetPhos、SOPMA軟件進(jìn)行信號(hào)肽、磷酸化位點(diǎn)、蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)分析;利用ClustalX2.0、MEGA4.0軟件進(jìn)行氨基酸序列比對(duì)和進(jìn)化樹分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 煙草栽培品種PAB1基因的電子克隆

        以擬南芥的蛋白酶體α2型亞單位基因全長cDNA序列為檢索探針,對(duì)GenBank中煙草EST數(shù)據(jù)庫進(jìn)行BLAST檢索分析,同時(shí)比對(duì)菲莫公司2013年發(fā)布的煙草基因組測(cè)序數(shù)據(jù)[12],發(fā)現(xiàn)10條一致性(identity)、相似性(similarity)較高的EST序列。按照“1.1”節(jié)所述方法進(jìn)行重疊群分析,結(jié)果顯示,10條EST可拼接成1條獨(dú)立的cDNA序列,長度為660 bp,暫命名NtPAB1(Nicotiana tabacum PAB1)(圖1)。

        2.2 NtPAB1蛋白基本參數(shù)和可能的翻譯后修飾

        NtPAB1蛋白含有219個(gè)氨基酸,分子量為23.71 ku,等電點(diǎn)(pI值)為7.8。NCBI保守域檢測(cè)表明,NtPAB1蛋白含有1個(gè)保守域PROTEASOME_ALPHA_1,說明所克隆的NtPAB1基因是植物蛋白酶體基因家族成員(圖2)。蛋白質(zhì)不穩(wěn)定指數(shù)為34.31,屬于不穩(wěn)定蛋白;脂溶指數(shù)為88.08,總平均親水性為-0.193,具有輕度疏水性。

        采用SignalP 4.1[13]預(yù)測(cè)NtPAB1蛋白無信號(hào)肽。利用TargetP1.1[14]在線軟件(http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/)對(duì)推導(dǎo)蛋白的定位特性分析顯示,NtPAB1沒有特殊定位偏好性。用NetPhos2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/)預(yù)測(cè)表明,NtPAB1蛋白存在20個(gè)磷酸化位點(diǎn),其潛在絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr)、纈氨酸(Tyr)活性位點(diǎn)數(shù)分別為5、3、1個(gè),NtPAB1蛋白存在較多的磷酸化位點(diǎn),說明磷酸化位點(diǎn)修飾對(duì)PAB家族蛋白的活化起著重要作用。

        2.3 NtPAB1蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

        通過SOPMA方法分析NtPAB1蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3所示,可見參與α-螺旋的氨基酸含量達(dá)到37.90% (83個(gè));63個(gè)氨基酸可能參與形成無規(guī)則卷曲,占28.77%;另外有49個(gè)氨基酸可能參與延伸鏈,占22.37%;24個(gè)氨基酸可能參與β-轉(zhuǎn)角,占10.96%。說明α-螺旋、無規(guī)則卷曲是NtPAB1蛋白質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)。

        2.4 NtPAB1基因同源性分析和系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

        為分析NtPAB1與其他植物的蛋白酶體基因的同源性,在NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLASTp。結(jié)果表明,NtPAB1所編碼的蛋白質(zhì)的氨基酸序列與葡萄同源基因氨基酸相似性最高,達(dá)到98%,而在林煙草和本式煙草中未能找到該基因的同源基因。另外NtPAB1與楊樹、百脈根、可可的相關(guān)基因的相似性達(dá)到85%以上。從GenBank上獲得的多個(gè)植物PAB同源基因編碼蛋白的氨基酸序列,經(jīng)過ClustalX 2.0比對(duì)后生成aln比對(duì)文件,然后利用進(jìn)化分析軟件MEGA4.0打開比對(duì)文件,采用鄰接(Neighbor-Joint,N-J)算法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹[15- 16]。分析結(jié)果表明,NtPAB1與葡萄PAB基因編碼蛋白進(jìn)化關(guān)系更近(圖4)。

        3 結(jié)論與討論

        馬鈴薯Y病毒屬(potato virus Y,PVY)是包含范圍廣、增殖過程復(fù)雜但基因組簡單的一類重要病毒,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[17]。特別是在煙草行業(yè),煙草馬鈴薯Y病毒分布于世界各煙區(qū)。在中國,近年來馬鈴薯Y病毒也有逐年加重的趨勢(shì),在馬鈴薯、煙草及蔬菜混種或間種的地區(qū)發(fā)病尤為嚴(yán)重,已經(jīng)成為導(dǎo)致煙草減產(chǎn)和品質(zhì)下降的主要病毒之一。國外研究調(diào)查顯示,煙草感染PVY后,其單位面積產(chǎn)值減少11%~18%,煙葉等級(jí)指數(shù)也降低36%~62%。

        近年來,隨著生物技術(shù)的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)了許多PVY侵染循環(huán)中的作用因子,加深了對(duì)PVY侵染過程中各項(xiàng)機(jī)制的研究。HC-Pro對(duì)于PVY的傳播至關(guān)重要,但是其具體分子機(jī)制尚未研究清楚。Ballut等研究表明,萵苣花葉病毒的HC-Pro能夠結(jié)合20S蛋白酶體[4]。因此可知,20S蛋白酶體對(duì)于植物抵御病毒的危害具有重要作用。

        本研究通過電子克隆方法從煙草栽培品種中克隆到1個(gè)20S蛋白酶體基因NtPAB1,為利用該基因培育抗PVY病毒栽培煙草品系奠定了理論基礎(chǔ)。下一步工作是通過改變煙草20S蛋白酶體的序列,使得PVY病毒的HC-Pro無法識(shí)別靶標(biāo)序列,從而達(dá)到抗PVY的目的。

        參考文獻(xiàn):

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