王明琦-植物萜类异戊烯基转移酶生物信息学分析.doc

植物萜类异戊烯基转移酶生物信息学分析 王明琦 学号 （陕西师范大学 生命科学学院，生物技术班 陕西 西安 710119） 摘 要：萜类化合物在植物的生长过程及其与生境的互作中发挥着重要作用。植物萜类合成途径需要三种相关酶：羟甲基戊二酰CoA还原酶(HMGR)、异戊烯基转移酶和萜烯合酶(TPS)，其中异戊烯基转移酶又包括GPPS、FPPS和GGPPS三种酶，本文主要对异戊烯基转移酶中的这三种酶进行生物信息学分析。文章中以苔藓、卷柏、裸子植物、拟南芥和水稻这5种植物为研究对象，比对其核酸及氨基酸序列，分析其理化性质、亲疏水性、跨膜结构、转运肽、二级结构和进化树。分析结果得出：五种植物这三种酶的氨基酸序列相似性普遍不高；三种酶蛋白都属于亲水性蛋白,无明显疏水区域,这与其都没有跨膜结构相对应；分析转运肽发现三种蛋白在细胞中分布范围广，证明在植物次生代谢产物合成过程中这三种酶蛋白广泛参与；a-螺旋是GPPS、FPPS和GGPPS的主要结构，在整条肽链中还分布着延伸链、自由卷曲和β-转角 关键词：萜类合成；序列比对；转运肽；二级结构；生物信息学分析 萜类化合物指存在自然界中分子式为异戊二烯单位的倍数的烃类及其含氧衍生物具有(C5)n通式，可以看成是异戊二烯或异戊烷一类天然化合物这些含氧衍生物是醇、醛、酮、羧酸、酯等。萜类化合物在自然界，是植物香精、树脂、色素等主要成分玫瑰油、桉叶油、松脂另外，萜类化合物某些动物的激素、维生素。 根据碳原子的数目可以将萜类分为单萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、三萜(C30)和多萜等，又根据萜类化合物分子所具有不同的碳环数，又可将萜类化合物分为链萜、单环萜、双环萜和三环萜等[4]。 萜类有两条合成途径：甲羟戊酸途径(meval onate pathway,MVA)和丙酮酸途径（DXP）[5]。 萜类生物合成途径中需要三种相关酶，包括羟甲基戊二酰CoA还原酶(HMGR)、异戊烯基转移酶以及萜烯合酶(TPS)[4]。GPS，GGPS,FPS这3种异戊烯基转移酶的存在位置与人们所认识的萜类生物合成途径不尽相同:GPS 不仅存在于叶绿体, 还存在于不含叶绿素的分泌腺细胞中[6]。有研究表明, GPS 可能具有质体与细胞质双重靶向性; GGPS 存在于植物叶绿体、线粒体和细胞质中; 在植物细胞质、叶绿体、线粒体、过氧化物酶体中都发现了FPS 的存在，这表明植物细胞质和质体中, 单萜、倍半萜、二萜等萜类的合成可能有一定交流, 没有非常严格的定位[7]。 植物萜类合成第二阶段相关酶（异戊烯基转移酶）分析 异戊烯基转移酶是萜类生物合成中重要的酶,其在IPP 及其异构体的基础上, 通过每次加长C5 碳链, 形成具有C5 倍数的萜类骨架碳链的焦磷酸酯这一中间产物，进而合成各种萜类化合物,根据其焦磷酸酯中间产物的不同,可将其分成香叶基二磷酸合酶(GPPS)、法呢基二磷酸合酶(FPPS)和香叶基香叶基二磷酸合酶(GGPPS)[8]。本文选取苔藓(ppatents)、卷柏（smoellendorffii）、裸子植物（pabies）、拟南芥（athaliana）和水稻（osativa） （一）．GPPS分析结果 已在多种植物中分离到GPP合成酶, 但对该酶的研究多数停留在酶的一般研究的水平上, 由于催化反应的底物类似, GPP 合成酶与FPP 合成酶和GGPP 合成酶应该非常类似, 但以与FPP 合成酶和GGPP 合成酶的同源性为基础的基因克隆却未获成功, 而采用以蛋白质为基础的基因克隆策略, 成功地从绿薄荷的油腺细胞中分离该酶并克隆其基因,结果发现GPP 合成酶不象其他烯丙基转移酶是由同源二聚体组成, 而是由一个功能异构的二聚体组成[9]。GPPS催化两个异构的IPP分子，即IPP和DMAPP形成一分子牻GPP，目前GPPS 大多来自于植物，植物中的GPPS 与GGPPS 的进化关系比FPPS 更近[10]。 1.1 GPPS核酸及氨基酸序列比对 利用Blast对苔藓、卷柏、裸子植物、拟南芥和水稻的GPPS核酸及氨基酸序列进行同源性比对。利用Blast进行同源性比对是以拟南芥的GPPS核酸及氨基酸序列为模板，分析拟南芥与其它四种植物的同源性高低[11]。结果表明拟南芥GPPS的核酸序列与其它植物的核酸序列的同源性普遍不高；此外通过蛋白质-蛋白质的Blastp比对,发现拟南芥GPPS的氨基酸序列与其它植物的氨基酸序列的相似性比核酸序列的同源性较高,但是整体的同源性仍然不高。对其他植物GPPS的核酸及氨基酸序列进行类似同源性比对,也得到GPPS序列的同源较低。 表1.1 不同植物GPPS氨基酸序列Blast比对 物种名称 蛋白序列号 相似度 匹配氨基酸