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        4種鬼傘β-1 3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶的生物信息學(xué)分析

        2021-05-06 03:16:56牛鑫柴倩囡馮九海
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:小鬼細(xì)胞壁葡聚糖

        牛鑫 柴倩囡 馮九海

        摘要:鬼傘是一類菌柄能在短時間內(nèi)快速伸長并且傘蓋易自溶形成墨汁的蘑菇,菌柄在伸長過程中細(xì)胞壁以伸長生長為主,細(xì)胞壁組分β-1,3-葡聚糖發(fā)生重構(gòu)修飾,GH72家族的β-1,3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶能夠?qū)⑤^低聚合度的寡糖轉(zhuǎn)化生成更高聚合度的糖鏈。β-1,3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶可能參與鬼傘菌柄細(xì)胞壁中β-葡聚糖組分的重構(gòu)修飾。以完成測序并有注釋信息的灰蓋擬鬼傘(Coprinopsis cinerea)、擬鬼傘(Coprinopsis marcescibilis)、晶粒小鬼傘(Coprinellus micaceus)和小脆柄菇(Psathyrella aberdarensis)等4種鬼傘的β-1,3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶的氨基酸序列為基礎(chǔ),采用TargetP、WOLF PSORT、SignalP、Sompa、TMHMM 2.0、Big-PI Fungal Predictor、MEME和SISS-MODEL等生物信息學(xué)分析工具對其開展蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位、細(xì)胞信號肽、二級結(jié)構(gòu)、跨膜螺旋、糖基化磷脂酰肌醇(GPI)錨定位點、基序以及三級結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析,同時對上述序列開展遺傳進(jìn)化關(guān)系分析。研究結(jié)果可為進(jìn)一步深入開展該蛋白在菌柄伸長過程中細(xì)胞壁β-葡聚糖組分的重構(gòu)修飾研究作基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:真菌細(xì)胞壁;菌柄伸長;β-1,3-葡聚糖;細(xì)胞壁重構(gòu);多序列比對;生物信息學(xué)

        鬼傘(coprinoid mushrooms)是一類子實體形成后,菌柄能快速伸長,傘蓋易自溶形成墨汁的大型擔(dān)子菌傘菌[1]。舊的分類系統(tǒng)中鬼傘科(Coprinaceae)包含鬼傘屬(Coprinus)、小脆柄菇屬(Psathyrella)和斑褶菇屬(Panaeolus),依據(jù)第10版《真菌詞典》最新分子系統(tǒng)學(xué)研究表明,鬼傘屬已移至蘑菇科(Agaricaceae),小脆柄菇提升到科分類級別,舊的鬼傘屬中大部分成員被劃分至擬鬼傘屬(Coprinopsis)、小鬼傘屬(Coprinellus)和近地傘屬(Parasola),其與小脆柄菇屬(Psathyrella)等屬組成小脆柄菇科(Psathyrellaceae),也就是現(xiàn)在的鬼傘科[2-4]。鬼傘菌柄的生長方式是一種類似植物胚芽鞘的頂端生長,其主要特征是細(xì)胞主要進(jìn)行伸長生長,細(xì)胞基本不進(jìn)行分裂[5]。蘑菇菌柄細(xì)胞壁的伸長生長理論經(jīng)歷了“水解酶模型”[6-7],“細(xì)胞膨壓理論”[8]以及“水解酶-膨壓折衷理論”[9]等,最新研究表明,特定的內(nèi)切幾丁質(zhì)酶[10]和內(nèi)切 β-1,3-葡聚糖酶均能引起滅活菌柄的伸長[11]。

        真菌細(xì)胞壁主要由葡聚糖、糖蛋白和幾丁質(zhì)組成,對真菌的生存、生長和真菌細(xì)胞的形態(tài)至關(guān)重要[12-13]。盡管它是剛性結(jié)構(gòu),但它在細(xì)胞生長過程中具有可塑性,并能適應(yīng)環(huán)境,因此,真菌細(xì)胞壁是一個動態(tài)變化的、有個組分相互交聯(lián)在一起形成一個高強度的具有可塑性的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)[13]。有4個家族的糖基水解酶或者糖基轉(zhuǎn)移酶已被證明在細(xì)胞壁組分的交聯(lián)中發(fā)揮作用[12]。GH16家族水解酶(β-葡聚糖酶)已被證明可能參與葡聚糖和幾丁質(zhì)的交聯(lián)[14-15]。GH17家族水解酶(β-葡聚糖酶)在葡聚糖之間的交聯(lián)中起作用[16-17]。GH76家族的甘露聚糖酶在細(xì)胞壁的生物發(fā)生中起作用[18-19]。GH72家族葡聚糖轉(zhuǎn)移酶已被證明是形成正常細(xì)胞壁必不可少的,能夠與β-1,3-葡聚糖交聯(lián)在一起。這些細(xì)胞壁重構(gòu)酶中,尤其是GH72家族的β-1,3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶為細(xì)胞壁提供了可塑性[20]。這些酶主要參與真菌細(xì)胞壁骨架結(jié)構(gòu)多糖 β-1,3-葡聚糖的重構(gòu)修飾,它們能夠水解至少含10個葡萄糖單元的昆布寡糖中的β-1,3-糖苷鍵,并且把新形成的帶還原性末端的供體(含有5個以上葡萄糖單元)轉(zhuǎn)移至另一個β-1,3-寡聚糖的非還原性末端(受體)形成聚合度更高的寡糖。除 β-1,3-葡聚糖合成酶合成延長葡聚糖鏈外,這種轉(zhuǎn)糖苷酶反應(yīng)產(chǎn)生新的β-1,3糖苷鍵為β-1,3葡聚糖鏈的延長提供了另一種作用或者是協(xié)同作用機制[21]。迄今為止,這類酶在釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)、煙曲霉(Aspergillus fumigatus)、白色念珠菌(Candida albicans)等酵母和絲狀真菌中具有廣泛的研究,釀酒酵母中這類蛋白被命名為Gasp(表面錨定糖酯類蛋白),煙曲霉中為Gelp(葡聚糖延伸蛋白),白色念珠菌中則為Phrp(pH值響應(yīng)蛋白)[22-23]。在酵母菌中,這些糖基轉(zhuǎn)移酶在孢子和菌絲的細(xì)胞壁組裝中具有重要作用,并在菌絲營養(yǎng)生長條件下維持細(xì)胞壁的完整性,是粟酒裂殖酵母生存不可缺少的[24],煙曲霉中編碼Gel4蛋白的基因也是必需基因[21],但在大型傘菌中對該基因的研究較少。

        本研究選取已完成基因組測序且有注釋信息的4種鬼傘:灰蓋擬鬼傘(Coprinopsis cinerea)、擬鬼傘(C. marcescibilis)、晶粒小鬼傘(Coprinellus micaceus)和小脆柄菇(Psathyrella aberdarensis),對其β-1,3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行生物信息學(xué)和遺傳進(jìn)化分析。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        根據(jù)煙曲霉中已報道的β-1,3-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶Gel1蛋白序列(登錄號:XP_749253.1),在美國國家生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,簡稱NCBI)數(shù)據(jù)庫中的組裝庫(Assembly)中分別檢索“Coprinopsis”“Coprinellus”“Psathyrella”,獲得CC3、Copmar1、Copmic2和ASM412641v1等4個基因組組裝數(shù)據(jù),分別點擊“BLAST the assembly”選項進(jìn)入“BLAST”比對界面,點擊切換至tblastn,將Gel1蛋白登錄號XP_749253.1粘貼至文本框,點擊BLAST,對期望值小于10-3的結(jié)果點擊GenBank從Feature中查看CDS詳情獲得“protein_id”。

        1.2 試驗方法

        1.2.1 蛋白信號肽預(yù)測 利用SignalP 5.0 (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)在線預(yù)測蛋白的信號肽。

        1.2.2 蛋白的基本理化性質(zhì)預(yù)測 利用ExPASy中的ProtParam(http://web.expasy. org/protparam/)對蛋白的分子量、等電點、氨基酸組成、不穩(wěn)定指數(shù)、脂肪族系數(shù)和總平均疏水指數(shù)等基本理化參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

        1.2.3 蛋白的亞細(xì)胞定位預(yù)測 利用WoLF PSORT(https://wolfpsort.hgc.jp/)進(jìn)行蛋白的亞細(xì)胞定位預(yù)測。

        1.2.4 蛋白二級結(jié)構(gòu)預(yù)測 采用Sompa(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_ automat.pl? page=npsa_sopma.html)在線預(yù)測蛋白的二級結(jié)構(gòu)。

        1.2.5 蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測 利用TMHMM 2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)對蛋白質(zhì)的跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測。

        1.2.6 糖基化磷脂酰肌醇(GPI)修飾預(yù)測 利用big-PI Fungal Predictor(http://mendel.imp.ac.at/gpi/fungi _server.html)對蛋白的GPI修飾位點進(jìn)行預(yù)測。

        1.2.7 蛋白基序(motif)分析 采用MEME(http://meme-suite.org/tools/meme)對蛋白序列中的基序進(jìn)行分析。

        1.2.8 系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建 在NCBI中找尋Gel的同源序列,利用MEGA 7中的Clustal X進(jìn)行多重比對分析,然后以鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。

        1.2.9 蛋白三級結(jié)構(gòu)預(yù)測 利用SWISS-MODE(http://swissmodel.expasy.org/)對蛋白進(jìn)行同源建模預(yù)測分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 Gel蛋白序列及其信號肽、基本理化特性和亞細(xì)胞定位分析

        通過煙曲霉Gel1對灰蓋擬鬼傘、擬鬼傘、晶粒小鬼傘、小脆柄菇的基因組數(shù)據(jù)CC3、Copmar1、Copmic2和ASM412641v1進(jìn)行tblastn比對,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,灰蓋擬鬼傘有2個Gel蛋白,擬鬼傘有4個Gel蛋白,晶粒小鬼傘和小脆柄菇各僅含有1個Gel蛋白。

        由表1可知,各鬼傘Gel蛋白均含有信號肽,除晶粒小鬼傘和小脆柄菇的信號肽為N端前24個氨基酸,其他均為前20個氨基酸,結(jié)合WoLF PSORT 亞細(xì)胞定位分析,Gel蛋白均分泌到胞外。其氨基酸組成數(shù)量在520~550個之間,分子量為55 ku左右,等電點呈酸性,在4~5之間,除擬鬼傘的Gel(TFK21136.1和TFK21135.1)為不穩(wěn)定蛋白,其他均為穩(wěn)定蛋白,灰蓋擬鬼傘Gel(XP_001831707.1)的脂肪族指數(shù)最低,為69.89,而晶粒小鬼傘Gel(TEB39055.1)的脂肪族指數(shù)最高,為87.09。除晶粒小鬼傘Gel為疏水蛋白外,其他均為親水性蛋白。此4種鬼傘Gel蛋白的優(yōu)勢氨基酸均為絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)和甘氨酸(Gly)。

        2.2 Gel蛋白的二級結(jié)構(gòu)、跨膜螺旋以及GPI修飾位點預(yù)測

        4種鬼傘的Gels蛋白中二級結(jié)構(gòu)以無規(guī)則卷曲和α-螺旋為主,其次是延伸鏈和β-轉(zhuǎn)角。α-螺旋比例在30%~36%之間,灰蓋擬鬼傘Gel蛋白 XP_001831707.1 的最高,為35.28%,擬鬼傘中TFK30742.1的比例最低,為3096%;延伸鏈的占比在13%~17%之間,擬鬼傘中TFK30742.1的比例最高,為1655%,而TFK21138.1的最低,為1369%;β-轉(zhuǎn)角占比最低,約為5%左右;無規(guī)則卷曲占比最高,在44%~50%之間。除擬鬼傘中TFK21138.1和小脆柄菇RXW23863.1在C端具有跨膜區(qū)域,其他Gel蛋白均不含跨膜結(jié)構(gòu)。所有Gel蛋白均含有GPI修飾,主要修飾位點發(fā)生在C段區(qū)域的絲氨酸殘基上(表2)。

        2.3 Gel蛋白的基序分析、多序列比對及三級結(jié)構(gòu)預(yù)測

        4種鬼傘的Gel蛋白序列中均含有3個基序(圖1)。4種鬼傘Gel蛋白具有較高的同源性,同源性矩陣分析結(jié)果表明其同源性均在50%以上(表3)。晶粒小鬼傘和小脆柄菇的Gel蛋白同源性最高,將近80%;其次是灰蓋擬鬼傘的2個Gel蛋白,其同源性為76.2%;晶粒小鬼傘的Gel與擬鬼傘的Gel(TFK21136.1)同源性最低,但也達(dá)到了51.6%。通過Gel蛋白的多序列比對(圖2)可以看出,4種鬼傘的Gel蛋白中含有177個保守氨基酸,其中包含甘氨酸(G)和亮氨酸(L)各17個,15個酪氨酸(Y),14個絲氨酸(S),半胱氨酸(C)和脯氨酸(P)各13個,以及11個天冬酰胺(N)等。4種鬼傘的Gel 序列中均包含糖基水解酶超家族 (Glyco_hydrosuper family)和8個半胱酸-盒子(Cys-box/X8)保守域, 在C端的絲氨酸或者甘氨酸或者天冬酰胺上發(fā)生GPI修飾。使用釀酒酵母β-1,3-葡聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶GAS2的晶體結(jié)構(gòu)(261.1.A)作為模板,采用Swiss-model對4種鬼傘Gel蛋白進(jìn)行在線同源建模預(yù)測分析,結(jié)果表明預(yù)測結(jié)構(gòu)與模板序列相似度均在35%左右,覆蓋度約為80%,各鬼傘Gel蛋白的三級結(jié)構(gòu)十分相似(圖3)。

        2.4 Gel蛋白的進(jìn)化分析

        結(jié)合研究較多的子囊菌中的煙曲霉(Aspergillus fumigatus)和釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中的β-1,3-葡聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶蛋白以及擔(dān)子菌中的玉蜀黍黑粉菌(Ustilago maydis)和雙孢蘑菇(Agaricus bisporus)、平菇(Pleurotus ostreatus)、灰樹花(Grifola frondosa)以及靈芝(Ganoderma boninense)的Gel同源蛋白使用MEGA 7[25]進(jìn)行演化分析,采用鄰接(neighbor-joining)法推導(dǎo)其演化歷史[26],得到分支長度和為8.760 563 63的最優(yōu)樹(圖4)。Bootstrap 測試設(shè)置1 000次重復(fù),進(jìn)化距離采用基于JTT矩陣的方法[27]計算,以每個位點的氨基酸取代數(shù)為單位。分析包括24個氨基酸序列。所有包含間隙和缺失數(shù)據(jù)的位置被消除。最終數(shù)據(jù)集中共有347個位置。可以看出,4種鬼傘的Gel蛋白基本按照種屬分類關(guān)系進(jìn)行聚類,擬鬼傘屬聚類為一組,小鬼傘屬和小脆柄菇屬聚為一組。根據(jù)序列C端是否有半胱氨酸富集結(jié)構(gòu)域,GH72家族可分為2個亞類:GH72+(含CBM43或者X8)和GH72-(沒有CBM43或者X8)[28]。所有擔(dān)子菌的Gel蛋白序列中均含有X8結(jié)構(gòu)域,因此屬于GH72+。

        3 討論

        眾所周知,GH72家族葡聚糖轉(zhuǎn)移酶是GPI錨定修飾的細(xì)胞壁蛋白。該類蛋白在子囊菌中有較多研究,在釀酒酵母中含有5個GAS基因,白色念珠菌中含有5個PHR基因,粟酒裂殖酵母含有4個GAS基因,煙曲霉中含有7個GEL基因,稻瘟病菌中含有5個GEL基因,粗糙脈孢菌中含有5個GEL基因[29]。在本研究中除擬鬼傘外,大部分擔(dān)子菌中僅有1~2個該類基因,明顯少于子囊菌。因此,擔(dān)子菌葡聚糖轉(zhuǎn)移酶基因的生理功能可能不完全等同于子囊菌。GH72酶可分為2類[30],GH72+酶包含葡聚糖轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)域和1個來自轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域的羧基末端第2個碳水化合物結(jié)合X8或CBM43結(jié)構(gòu)域。GH72-酶缺乏X8/CB43碳水化合物結(jié)合域。4種鬼傘的Gel蛋白均屬于GH72+,且均含有信號肽序列,因此,鬼傘的Gel可能在細(xì)胞周質(zhì)空間中對新添加的細(xì)胞壁組分β-1,3-葡聚糖進(jìn)行修飾。Hurtado-Guerrero等首次解析了GH72+與昆布五糖和昆布七糖水解產(chǎn)物有關(guān)的ScGas2轉(zhuǎn)糖苷酶的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)表明存在1個(β/α)8的催化核心,緊緊地和C端CBM43葡聚糖綁定結(jié)構(gòu)域相互作用,活性位點位于不常見的半胱氨酸富集的溝槽,有2個谷氨酸作為催化殘基。定點突變數(shù)據(jù)結(jié)合ScGas2-o寡糖復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu),表明在受體位點產(chǎn)生綁定在調(diào)節(jié)水解和轉(zhuǎn)糖苷之間的平衡至關(guān)重要[31]。該酶作用的位點包含2個催化殘基(Glu176和Glu275),和3個酪氨酸殘基(Tyr107、Tyr244、Tyr307),這些位點在GH72家族中均是保守的。去除GPI修飾位點該酶的轉(zhuǎn)糖基活性不受影響,但去除X8結(jié)構(gòu)域后其不再具有轉(zhuǎn)糖基活性[30]。本研究基于已測序并有注釋信息的4種鬼傘的Gel蛋白序列,通過對鬼傘Gel蛋白的生物信息學(xué)分析,為擔(dān)子菌中Gel基因的生理功能研究奠定了基礎(chǔ)。

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