生物化学 红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶生物信息学分析

红麻核酮糖的生物信息学分析目录红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的生物信息学分析 1摘要 1Abstract 11.引言 11.1核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的研究现状 21.2红麻 21.3生物信息学 31.4 电子克隆 32.材料与方法 42.1 材料 42.2 方法 43.结果与分析 53.1多重序列比对 53.2模式搜索 73.3疏水性分析 3.4大亚基的物理化学性质93.5序列搜索PDBsum 103.6建筑设计概论 123.7二级结构：4hhh3.8大单元拓扑:4hhh3.9Quick2D3.10同源性建模3.11信号肽和亚细胞定位预测 4. 结论 12参考文献 13致谢 14红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的生物信息学分析摘要通过电子克隆技术对红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶进行预测和生物学信息学分析。结果表明：红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶序列包含一个2202bp的开放阅读框，编码477个氨基酸；为亲水性蛋白，不存在信号肽；蛋白的结构主要为α-螺旋、无规则卷曲和延伸链；存在35个丝氨酸（Ser）、27个苏氨酸（Thr）、11个酪氨酸（Tyr），可能成为磷酸化位点。结果可为红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的实验克隆、功能鉴定及其应用提供参考。关键词：红麻,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶，电子克隆，生物信息学AbstractTheelectroniccloningtechnologywasusedtopredictandanalyzethebiologicalinformationofkenafribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase.Theresultsshowedthatthesequenceofrubulose-1,5-bisphosphatecarboxylaseinkenafcontainedanopenreadingframeof2202bp,encoding477aminoacids.Hydrophilicprotein,nosignalpeptide;Thestructureoftheproteinwasmainlyleben-helix,irregularwindingandextensionchain.Thereare35serine(Ser),27threonine(Thr)and11tyrosine(Tyr),whichmaybecomephosphorylationsites.Theresultscanprovidereferencefortheexperimentalcloning,functionalidentificationandapplicationofrubulose-1,5-bisphosphatecarboxylaseinkenaf.Keywords:kenaf,ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase,electroniccloning,bioinformatics引言槿麻是属于\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"锦葵科\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"木槿属的植物。锦葵科木槿属一年生草本植物的\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"韧皮纤维，俗称洋麻、红麻。经\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"脱胶（俗称精洗）后取得的韧皮纤维称熟槿麻。茎高4～5米。下部叶心脏形，不分裂；上部叶掌状深裂。花单生或丛生。茎部韧皮纤维，用于纯纺或与黄麻混纺制织麻袋和包装用布。也可用于家用和工农业用粗织物。中国种植很广，已取代\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"黄麻。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase，通常简写为RuBisCO）是一种酶(EC9)，分子量约为53kD，由8个大亚基和8个小亚基组成，是光合作用中决定\t"/item/%E6%A0%B8%E9%85%AE%E7%B3%96-1%2C5-%E4%BA%8C%E7%A3%B7%E9%85%B8%E7%BE%A7%E5%8C%96%E9%85%B6/_blank"碳同化速率的关键酶，同时也是植物光呼吸的关键酶。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶在生物学上有重要的意义，因为它所催化的反应是无机态的碳进入生物圈的主要途径。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶是植物叶片中含量最丰富的蛋白质，也可能是地球上含量最多的蛋白质。鉴于它对生物圈的重要性，人们正在努力改进自然界中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的功能。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的研究现状核酮糖一1，5一二磷酸羧化酶Ribulose-I，5-bisphosphateCarboxylase／是植物光合作用过程中固定CO的关键酶同时也参与植物的光呼吸代谢途径，消耗植物光合作用合成的有机物，由此造成的净光合效率损失高达50％(Lundqvist和Schneider1991熊晓然等2003；Ashida等2005)。因此，研究Rubisco对提高植物的光合作用效率有重要意义。自从1953年Calvin等在研究光合碳循环过程中证实其存在至今，有关Rubisco的一系列问题不断得到阐明，人们对其性质、结构、类型和功能等诸多方面有了更深入的了解，这方面的研究己取得了较大进展。红麻槿麻是属于\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"锦葵科\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"木槿属的植物。锦葵科木槿属一年生草本植物的\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"韧皮纤维，俗称洋麻、红麻。经\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"脱胶（俗称精洗）后取得的韧皮纤维称熟槿麻。茎高4～5米。下部叶心脏形，不分裂；上部叶掌状深裂。花单生或丛生。茎部韧皮纤维，用于纯纺或与黄麻混纺制织麻袋和包装用布。也可用于家用和工农业用粗织物。中国种植很广，已取代\t"/item/%E6%A7%BF%E9%BA%BB/_blank"黄麻。槿麻与黄麻相似，其单纤维长度很短，约2～6毫米，平均5毫米；宽度14～33微米，平均21微米；横截面不同于黄麻而呈不规则的多角形，也有圆形者；有中腔，呈圆或卵圆形；细胞大小和壁厚均不一致；纤维表面光滑无转曲。槿麻脱胶到纤维既分离又相互粘接成束的程度方形成可纺纤维，在黄麻纺设备上纯纺或与黄麻等混纺。熟槿麻经梳麻机后分离成的工艺纤维细度只能达到150～250公支左右，比黄麻粗硬。所纺细纱支数只能在公制3支左右。1.3生物信息学生物信息学（Bioinformatics）是一门交叉学科，它综合了生物学、计算机科学和数学，是一门理论和实践并重的科学。生物信息学是依据核酸和蛋白质等生物大分子数据库、数学、计算机技术为基础建立的，它的研究内容非常丰富，包括：序列的比较；序列的分析；基因的预测；蛋白质的预测；构造进化树等等，由数据库、计算机网络、应用软件三部分构成。生物信息学具体地说就是把基因组DNA序列信息作为源头，找到其中代表RNA和蛋白质的编码区，阐明非编码区的信息实质，破译隐藏在DNA序列的遗传语言规律；归纳和整理与基因组遗传语言信息释放及调控相关的转录谱和蛋白质谱的数据，从而认识代谢、发育、分化和进化的规律。生物信息学广义地说就是运用数学、计算机科学、信息科学、系统科学、生物工具对生物信息进行获取、加工、储存、分配、分析、释读，以达到理解数据库中各种数据的生物学含义的目的[11]。利用生物信息学分析可使我们更近一步的获取或验证生物学信息。1.4电子克隆电子克隆（insilicocloning）技术是一种快速克隆基因的方法，其原理是利用核酸序列和蛋白质序列数据库，运用计算机技术和生物信息学工具进行比对、拼接和分析快速的获得相应的功能基因。与传统克隆技术：定位克隆技术、简并序列克隆技术、转座子标签克隆技术等相比电子克隆具有成本低、针对性强等特点[12-13]。目前电子克隆技术被广泛应用于实验克隆之前，旨在为基因的实验克隆、功能鉴定及其应用提供参考2材料与方法材料红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（GenBank登录号：No.MG516906.1）和多款电子克隆及生物信息学分析软件。方法1）蛋白质家族和功能概述:interpro，这个用来找到蛋白质的功能信息，以及其进化，家族2)蛋白氨基酸序列:NCBI蛋白，是蛋白质一级结构，生信分析的起点3)多重序列比对:ClustalOmega,PRALINE，用来和其他物种里的同样的蛋白对比，分析保守序列4)序列模式识别:PRATTEBI用来发现蛋白质序列共有模式5)蛋白质理化指标:瑞士精蛋白6)蛋白二级结构、卷曲卷曲、无序残基预测:Quick2D用来进一步分析蛋白质的空间结构及序列特征7)蛋白质结构，拓扑结构:PDBsum用来分析蛋白质序列走向，特征及相互连接关系8)同源建模:SwissModel以相似序列蛋白质为模板，建立模型跨膜预测:phobius，用来分析蛋白质的信号肽及在细胞的定位结果与分析背景：RubiscoInterpro概述双功能酶，催化核酮糖-1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的羧化和氧化，从而固定二氧化碳作为卡尔文循环的第一步8个大亚单位和8个小亚单位大亚基:大链，由催化域、n端域组成小单元:小链，功能未知3.1多重序列比对:高度保守

在NCBI中检索（GenBank登录号：No.MG516906.1）将红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶序列导出后对比发现，四个序列相似度非常高，大都由477个的氨基酸组合而成见(见图一）图一红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶序列对比结果图二红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶序列对比结果3.2模式搜索通过在线序列模式分析的服务器，对红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶序列进行模式分析，见图三。找出最佳模式如图五，进行详细分析见图四，其中适宜度在70以上的规律具有参考价值，见图四。最佳模式见图五图三模式分析图四模式分析图五模式分析3.3疏水性分析用在线软件ProtScale[17]对红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶基因编码的氨基酸进行亲/疏水性分析，分析时采用Kyte&Doolittle标度计算，负值为亲水，正值为疏水。从分析结果（图6）可以看出，第30位氨基酸疏水性最强，为2.278；第562位氨基酸亲水性最强，为-3.722。依据氨基酸位点判定规律：负值越大，蛋白质亲水性越强；正值越大，蛋白质疏水性越强；介于-0.5~0.5之间的主要为两性氨基酸。可推测出，红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶编码的蛋白质为亲水性蛋白，此结果与一级结构预测结果一致。图六亲/疏水性分析3.4大亚基的物理化学性质没有可用的小亚基序列信息所以重点是大的亚基PDBsum，使用序列标识百分比，4hhh是最合适的模板构建模型4hhh:Pisumsativum的Rubisco相似的顺序意味着相似的结构:安芬森法则图七图八3.5序列搜索PDBsum图九3.6建筑设计概论图十建筑预测图3.7二级结构：4hhhlargesubunit图十一二级结构预测图smallsubunit图十二二级结构预测图3.8大单元拓扑:4hhh图十三拓扑图图十四拓扑图图十五拓扑图3.9Quick2D图十六图十七3.10同源性建模图十八空间结构预测图十九空间结构预测3.11信号肽和亚细胞定位预测图二十信号肽预测结论本研究运用多款电子克隆及生物信息学在线软件对红麻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶进行分析，从其基因结构和蛋白特性进行分析，得到了以下结论：1mspqtetktgvgfqagvkeykltyytpqyevkdtdilaafrvtpqpgvppeeagaavaae61sstgtwttvwtdgltsldrykgrcyhidpvpgeedqyicyvaypldlfeegsvtnmftsi121vgnvfgfkalralrledlriptayvktfqgpphgiqverdklnkygrpllgctikpklgl181saknygravyeclrggldftkddenvnsqpfmrwrdrflfcaeaiykaqaetgeikghyl241natagtceemmkraacarelgvpivmhdyltggftanttlahycrdnglllhihramhav301idrqknhgmhfrvlakalrmsggdhihagtvvgklegereitlgfvdllrddfiekdssr361giyftqdwvslpgvlpvasggihvwhmpalteifgddsvlqfgggtlghpwgnapgavan421rvaleacvqarnegrdlaaqgneiireaskwspelaaacevwkeikfefkpvdtldk//477aminoacids参考文献［1］祁健民，李维明，吴为人，等．红麻种质资源创新的理论与实践［J］．中国麻作，1999，21(1):43-44．［2］阮奇城，祁健民，张广庆，等．红麻籽油的理化性质及碱炼工艺研究［J］．中国油脂，2010，35(1):11-14．［3］TAHEＲYY，SHUKOＲNAA，ABDUL-HAMIDH，etal．Growthcharacteristicsandbiomassproductionofkenaf［J］．AfricanJournalofBiotechnology，2011，10(63):13