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植物CBF1转录因子的生物信息学分析


第 46 卷 第 6 期 2010年 6 月


SCIENTIA




SILVAE


SINICAE

Vol. 46, 6 No. Jun. , 0 1 0 2

* 植物 CBF1 转录因子的生物信息学分析

/>

摘 要:



陈其兵
雅安 625014 )

( 四川农业大学林学院

利用生物信息学手段, GenBank 中 18 种不同植物 CBF1 的氨基酸序列进行比对及系统发育树的 构 建, 对

并对其氨基酸的组成、 等电点、 亲水 / 疏水性、 蛋白质的二级结构和三级结构及功能域进行分析预测。结果表明: 18 种 不同植物 CBF1 的 N 端存在富含精氨酸和赖氨酸残基的核定位信号( NLS) 、 DNA 结合的 AP2 核心结构域以及 与 C 端的酸性氨基酸。构建 CBF1 进化树, 并对其分子 进 化 进 行 探 讨。 CBF1 的 氨 基 酸 主 要 是 脂 肪 族 类, 含 有 非 极 都 其蛋白等电点多数为酸性, 且为不稳定亲 水 性 蛋 白。α - 螺 旋 和 无 规 则 卷 曲 是 18 种 不 同 植 物 CBF1 性氨基酸 Ala, 最大量的结构元件, β - 转角和延伸链则散布于整 个 蛋 白 质 中。 不 同 植 物 CBF1 蛋 白 的 亚 细 胞 定 位 存 在 一 定 的 而 差异。三维结构检测表明此模型的结构符合立体化学规则。 关键词: CBF1; 生物信息学; 分子进化 文献标识码:A 文章编号:1001 - 7488(2010)06 - 0043 - 08 中图分类号: S718. 46

Bioinformatic Analysis of CBF1 Transcription Factors from the Plants
Jiang Yao Chen Qibing
Ya' an 625014 ) ( Forestry College,Sichuan Agricultural University

Abstract:

Multiple alignment of amino acid sequences of CRT-binding factor1 ( CBF1 ) from 18 different plants was

conducted and a phylogenetic tree with these proteins was built. In addition, the characters of the amino acid constitutions, isoelectric point, hydrophilic / hydrophobic properties, secondary structures, tertiary structures and functional domains of these proteins were analyzed with the tools of bioinformatics software. The results showed that nuclear localization signals( NLS) were rich in Argnine ( Arg ) and Lysine ( Lys ) residues at N-terminal of CBF1 in 18 different plants,while containing AP2 core domains which bind to DNA and acidic amino acids were located in Cterminal. Molecular evolution was analyzed by cladogram construction of CBF1. Amino acids of CBF1 mainly belonged to aliphatic series. All CBF1s in 18 different plants contained non-polar amino acid Ala,and most of the isoelectric points were acid,the proteins of CBF1 were unstable and hydrophilic. Constructions of α-helixs and random coils in CBF1 were dominant elements from 18 different plants,β-turns and extended strains interspersed over the whole proteins. Subcellular localizations of CBF1 protein were different. A three-dimensional structure test validated that the modeling accorded with the stereochemistry. This study provides basic information for the research of gene structure and biological function,and also provides evidence for the analysis of the function of interaction in different signal pathway and regulating mechanism. Key words: CRT-binding factor; bioinformatics; molecular evolution

CBF ( CRT-binding factor) 转录激活因子是一类 受低温特异诱导的 反 式 作 用 因 子, 以 调 控 多 个 抗 可 寒基因启动子 区 上 的 顺 式 作 用 元 件[CRT / DRE ( C, repeat / dehydration responsive element ) ] 促 进 启 动 子中含有这一调控元件的多个冷诱导和脱水诱导基 因 的 表 达, 而 激 活 植 物 体 内 的 多 种 耐 逆 机 制。 从 CBF 能感受 上 游 传 递 的 低 温 信 号 并 将 信 号 向 下 游 对于增强植物 适 应 和 抵 御 低 温 的 能 力 具 有 重 传递,
收稿日期: 2009 - 05 - 18 。

2007 ) 。 ICE1 ( inducer of CBF 要作 用 ( 曹 云 飞 等, expression 1) 需 要 经 过 冷 诱 导 的 构 型 变 化 ( 可 能 是 磷酸化和去磷 酸 化 作 用 ) 调 节 活 性, 而 激 活 下 游 从 2003 ) 。 近 来 有 研 究 基因的表达( Chinnusamy et al., 1 表明, 个 R2R3 类 型 的 拟 南 芥 ( Arabidopsis thalina, At) AtMYB15 转录因子与 ICE1 相 互 作 用, 冷 胁 迫 在 条件 下, 调 控 CBF 基 因 的 表 达 ( Agarwal et al., 负 2005) 。Chinnusamy 等 ( 2007 ) 认 为 在 冷 驯 化 状 态

“十一五” 基金项目: 国家科技支撑计划项目(2008 BADC2B02) ; 四川省 重点攻关项目(2006YZGG - 10 - 07 ) 。 * 陈其兵为通讯作者。

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下, 过 泛 素 相 关 的 蛋 白 水 解 对 CBF1 的 诱 导 物 通 ICE1 负调控, 而小 泛 素 相 关 修 饰 物 E3 酶 通 过 催 化 正调控 ICE1。林茂等(2008 ) 综 述 了 植 物 CBF 转 录 因子及其在基因工程中的应用, 为 CBF 转 录 因 子 认 的典型特征 是:N 端 有 核 定 位 信 号 ( nuclear location NLS) 区, 端 有 酸 性 激 活 区, 间 有 与 DNA C signal, 中 结合的 AP2( APETALA2) 结构域。钟克亚等(2006 ) 认为 CBF1 转 录 因 子 作 用 途 径 为 CBF 转 录 因 子 → CRT / DRE 基序 → COR 基因 ( cold-regulated gene) 表 并研究其抗寒的作用机制, 为 达 → 植物抗寒性增加, 提高植物的抗寒性、 培育抗寒作物品种提供新方向。 张丽丽等(2008) 认 为 COR 基 因 编 码 的 多 肽 具 有 两 亲性 α - 螺旋 结 构 域, 低 温 诱 导 下 使 得 磷 脂 双 分 在 子层向内弯曲, 来抵 抗 低 温 引 起 细 胞 脱 水 造 成 的 膜 损 伤。 水 稻 ( Oryza sativa, Os ) OsDREB1B ( dehydration responsive element binding factor ) 在 烟 草( Nicotiana tabacum,Nt) 中 过 表 达 能 够 提 高 转 基 组 因植株的抗氧 化 性 和 抗 冻 性, 成 型 OsDREB1B 可 诱导病原 体 相 关 的 转 基 因 植 株 表 达 ( Gutha et al., 2008) 。 2007 ) 、 米 ( Zea 已经从 拟 南 芥 ( Novillo et al., 玉 may,Zm ) ( Nguyen et al., 2009 ) 、油 菜 ( Brassica napus, ( 庄 静 等, Bn) 2008 ) 、 麦 ( Triticum aestivum, 小 Ta) ( Badawi et al., 2008 ) 和 水 稻 ( Ito et al., 2006 ) 等 多 种 植 物 中 分 离 得 到 相 关 的 CBF1,其 中 Shahrokhabadi 等 ( 2008 ) 利 用 CODEHOP 软 件 设 计 相 关 引 物, 鉴 定 出 低 温 胁 迫 相 关 的 小 麦 同 源 已 DREB 基因, 现 DRE 调 控 基 因 表 达, 增 强 小 麦 发 能 的抗冻 性。 Zhu 等 ( 2007 ) 综 述 了 在 植 物 低 温 驯 化 下, 应 答 基 因 调 控、 谢 及 RNA 剪 切 和 二 级 结 构 冷 代 等方面的相互作用。但目前 对 不 同 植 物 CBF1 的 生 物信息学分析未见报道, 因此, 利用一系列的生物信 息学软件分 析 了 不 同 植 物 CBF1 蛋 白 的 性 质, 对 并 其蛋白作对 比, 期 为 进 一 步 开 展 CBF1 的 基 因 功 以 能和蛋白质的特性 研 究 提 供 一 定 的 理 论 基 础, 为 也 后期深入研究基因 的 结 构 与 生 物 学 功 能 提 供 参 考, 为分析其在不同信号途径相互作用中的功能和调控 机制提供有力证据。

整的 cDNA( complemental DNA) 序 列 和 编 码 氨 基 酸 序列 进 行 数 据 搜 索。 收 集 得 到 的 CBF 基 因 完 整 cDNA 和编码氨基酸 序 列 各 18 条, 中 双 子 叶 植 物 其 13 条, 单子叶 植 物 5 条, 子 叶 植 物 全 部 为 禾 本 科 单 植物( 表 1) 。 1. 2 1. 2. 1 方 法 CBF1 基 因 编 码 氨 基 酸 序 列 的 分 析 采用

ExPaSy 的 Prosite 数 据 库 ( http:∥ www. expasy. org / prosite / ) 、NCBI 的 Conserved Domains 数 据 库 ( http:∥www. ncbi. nlm. nih. gov / Structure / cdd / wrpsb. cgi) ( Marchler-Bauer et al., 2004 ) 和 Mega3. 1 ( Kumar et al., 2004) 软件, CBF1 基因编码 氨 基 酸 对 序列进行氨基酸保守位点、 可变位点、 简约信息位点 和单一多态位点分析。利用欧洲生物信息学研究所 ( European Bioinformatics Institute, EBI ) 在 线 的 ClustalW2 ( Larkin et al., 2007 ) 程 序, 行 氨 基 酸 序 进 列的多重 比 对, 找 氨 基 酸 保 守 区, 用 Boxshade 寻 并 对其保守区域进行标记。 1. 2. 2 CBF1 基 因 系 统 发 生 树 的 构 建 采用 Mega3. 1 软件内置的 ClustalW 程序进行蛋白序列多 采 重比对( 比对采用程序默认的 IUB 记分矩阵 ) , 用 Mega3. 1 对 ClustalW 产生的多重比对结果构建系统 发 生 树。 参 数 设 置: 采 取 最 大 简 约 法 ( maximum MP) 构建系统树, parsimony, 采用随机逐步比较的方 式 搜 索 最 佳 系 统 树, 生 成 的 系 统 发 生 树 进 行 对 Bootstrap 校正, 最终生成系统发生树。 1. 2. 3 CBF1 蛋 白 一 级 结 构 理 化 特 性 分 析 利用 ExPaSy 提 供 的 Prot-Param 软 件 和 ProtScale 软 件 分 别进行氨基酸残基组成、 蛋白质分子质量和亲 / 疏水 性的在 线 分 析; 最 后 利 用 antheprot 软 件 ( http: ∥ antheprot-pbil. ibcp. fr / ) ( Barabasi et al., 2003 ) 分 析 理论等电点。 1. 2. 4 CBF1 蛋 白 二 级 结 构 分 析 利 用 ExPaSy 的 工具中的 SOPMA 软 件 在 线 预 测 分 析 α - 螺 旋 ( αhelix, 、 - 转角( β-turn, 、 规 则 卷 曲 ( random H) β T) 无 coil, 以 及 延 伸 链 ( extended strand, ) , 后 利 用 C) E 然 网站 ExPaSy 工具中的 PSORT 软件预测蛋白亚细胞 定位。 1. 2. 5 CBF1 蛋白三级结构的分析 三级结构的预 测是蛋白质结构预测的重点, 主要有以下几种方法: 同源 模 建、折 叠 识 别 和 从 头 预 测 法 ( Biocarta, 2003) 。利用 ExPaSy 工 具 中 的 Swiss-Model 程 序 进 1998; Upinder et al., 1999) 。 行同源模建 ( Grill et al., 它运用结构 仿 真 模 拟 ( ProMod Ⅱ 程 序 ) 和 能 量 最 小 化分析 ( GROMOS96 程序) 构建目标序列的结构。

1
1. 1

材料与方法
材 料

通过 美 国 国 立 生 物 技 术 信 息 中 心 ( National Center for Biotechnology Information, NCBI: http: ∥ www. ncbi. nlm. nih. gov / ) 的核 酸 和 蛋 白 质 数 据 库 寻 找相应的数据资料, 对已经克隆得到的 CBF 基因完

第6期

蒋 表1 Tab. 1
植物种 Plant species

瑶等: 植物 CBF1 转录因子的生物信息学分析 在不同植物中已克隆的 CBF1 转录因子家族成员
基因名称 Name of gene AtCBF1 BjDREB1b BnDREB1 b EgCBF1 FaCBF1 GmCBF1 HbCBF1 HrCBF1 IlCBF1 NtDREB1 b OpCBF1 PaCBF1 StCBF1 HvCBF1 LpCBF OsDREB1 b TaCBF1 ZmDREB1 b 基因编码蛋白序列 Encoded proteins NP_567721 ABX00639 AAD45623 ABF70207 ABV65907 ACJ39208 AAY43213 ABS30426 AAZ57434 ACE73693 ACJ70134 BAD27123 ABI74671 AAL184170 BAF36846 AAX28958 AAL37944 NP_001148263 基因序列 Gene sequences NM_118681 EU136731 AF084185 DQ523829 EU117214 FJ393220 AY960212 EF502044 DQ131497 EU727155 FJ491244 AB121674 DQ887515 AF418204 AB258401 AY785894 AF376136 NM_001154791

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The cloned CBF1 family members in the different plants

拟南芥 Arabidopsis thaliana( At) 芸苔 Brassica juncea( Bj) 油菜 Brassica napus( Bn) 蓝桉 Eucalyptus globulus( Eg) 草莓 Fragaria × ananassa( Fa) 大豆 Glycine max( Gm) 巴西橡胶树 Hevea brasiliensis( Hb) 沙棘 Hippophae rhamnoides( Hr) 马蔺 Iris lactea var. chinensis( Il) 烟草 Nicotiana tabacum( Nt) 无苞芥 Olimarabidopsis pumila( Op) 甜樱桃 Prunus avium( Pa) 土豆 Solanum tuberosum( St) 大麦 Hordeum vulgare( Hv) 黑麦草 Lolium perenne( Lp) 水稻 Oryza sativa( Os) 小麦 Triticum aestivum( Ta) 玉米 Zea may( Zm)

2
2. 1

结果与分析
CBF1 编码氨基酸的序列比对 利用 EBI 在线的 ClustalW2 进 行 氨 基 酸 序 列 多

LpCBF, OsCBF1, ZmDREB1b 和 HvCBF1 单子叶植物 用 的 CBF1 转 录 因 子, ○ 标 记; 第 2 类 AtCBF1, NtDREB1b, StCBF1 和 GmCBF1 等 双 子 叶 植 物 的 CBF1 转 录 因 子, △ 标 记。由 此 可 以 看 出, 与 植 用 这 双子叶植物的分类大体一致, 表明基因 物中单子叶、 和植物的进化过程密切相关。 第 2 类又可分为 2 大类:第Ⅰ 大类由 GmCBF1, FaCBF1, PaCBF1 和 HbCBF1 组成; 第 Ⅱ 大 类 分 为 4 个 小 类: BnDREB1b, BjDREB1b, HrCBF1 EgCBF1 为 C 类, StCBF1 为 D 类。 类, CBF1 在植 物 中 的 进 化 优 先 于 单、 子 叶 的 分 双 化时间, 这种分类上的冲突是在植物中普遍存在的。 有研究表明, 基因的倍增和重组、 水平的基因转移等 都是这种差异存在的原因。 2. 3 CBF1 基因编码氨基酸组成特性 通过 Clustal W2 在线 软 件 对 CBF1 基 因 编 码 氨 基酸序列多重比较, 然后利用 Mega3. 1 软 件 得 到 18 个 CBF1 基 因 编 码 氨 基 酸 的 保 守 位 点 参 数, 中 保 其 可 简 守位点 47 个, 变 位 点 235 个, 约 信 息 位 点 154 个, 单一多态位点 78 个。所含氨基酸的种类主要是 脂肪族类, 中性氨基酸占大部分, 而可变区与保守区 的中性氨基酸的变化不具有方向性。 用 Protparam 预测 CBF1 编码蛋白的理化 性 质, 图 2 为不同植物 CBF1 氨基酸的 组 成 及 理 化 特 性 的 比较, 由此可以看出, 不同植 物 CBF1 的 氨 基 酸 分 子 质 量较为一致 , 其氨基酸序列中主要氨基酸 均 含 有 和 NtDREB1b 为 A 类, AtCBF1, OpCBF1 和 IlCBF1 为 B

结 这 重比 对, 果 如 图 1 所 示。 根 据 比 对 结 果 发 现, 18 个 CBF1 转 录 因 子 在 蛋 白 质 氨 基 酸 序 列 N 端 保 守性较强, 具有典型的 CBF1 转 录 因 子 结 构 特 征, 包 含有 PKK / RPAGRXKFXETRHP 和 FADSAW 特 征 序 列, 可能起激活作用, 而且推测这 2 个序列可能参与 CBF 蛋 白 的 转 运, 一 个 特 征 序 列 位 于 蛋 白 质 N 前 R) K) 端, 富含精氨酸( arginine, 和 赖 氨 酸 ( lysine, 的 碱性结构, 后 一 个 特 征 序 列 位 于 AP2 核 心 结 合 而 域, 属于 RAYD 基元的保守结构域。因此, 2 个特 这 征序 列 可 能 参 与 对 CRT / DRE 调 控 元 件 的 识 别, 调 控下游基因表达。 保守结构域是蛋白质中能够折叠成特定三维结 构的一段区 域, 结 构 亚 单 位 称 为 基 序 ( motif) , 其 组 成这些基序的氨基 酸 区 段 行 使 特 异 的 功 能, 蕴 含 并 各自的遗传进化信息。 CBF1 转 录 因 子 N 端 含 有 高 从 度保守的 AP2 结构域, 而 构 成 了 植 物 特 异 性 转 录 因子大家 族。 在 ExPaSy 的 ScanProsite 软 件 获 得 不 同植物保守结构域, 但其 AP2 核 心 结 构 域 的 位 置 存 在差异, AtCBF1 保守结构域( 图 2) 为例。 以 2. 2 CBF1 转录因子系统发育树的构建 利用 Mega3. 1 软件构建 CBF1 转录因子 的 系 统 发生树( 图 3) 。由图 3 可知, 系统发生树中的 CBF1 转录 因 子 主 要 聚 为 2 类: 第 1 类 包 括 TaCBF1,

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图1

18 种植物 CBF1 类转录因子氨基酸序列比对的结果

Fig. 1 Multiple alignment result of CBF1 transcription factors in 18 different plants AP2 AP2 相同和保守的氨基酸残基用黑色和灰色分别表示, 和 NLS 用上划线表示, 区中 YRG 和 RAYD 2 个保守区分别用方框表示。C 端保守域用 respectively; the AP2 domain and NLS are also indicated. 最后 3 个方框表示。Identical and conserved amino acid residues are indicated in black and gray, Two boxes show the location of the YRG and RAYD elements in the AP2 domain, respectively. The last three boxes are the conserved domain in C terminal.

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植物则是酸性氨基酸占主导地位, 其比值大于 1; 单 子叶植物唯有大麦 碱 性 氨 基 酸 比 例 较 高, 值 小 于 比
图2
Fig. 2

AtCBF1 保守域

1, 其他单子叶植物氨基酸则是酸性氨基酸较高。通 过 Protparam 软件分析不同植物蛋白, 发现其蛋白均 属于不稳定类蛋白。 2. 4 CBF1 蛋白等电点的预测及对比 利用 分 析 软 件 anthepro, 氨 基 酸 序 列 预 测 不 由 同植物 CBF1 蛋 白 的 等 电 点。大 部 分 植 物 CBF1 蛋 白都属于酸性等电点, 其中酸性最强的是 St, 最弱的 而 是 Zm。唯有 Lp 是中性 等 电 点, Ta 和 Fa 是 碱 性 等电点。 2. 5 CBF1 蛋白的亲水 / 疏水性分析 氨基 酸 序 列 决 定 蛋 白 质 的 功 能, 成 蛋 白 质 的 组 20 种氨基酸各具特殊的侧链, 它 们 按 照 不 同 的 序 当 列关系组合时, 就可形成多种多样的空间结构, 使其 具有不同生物 学 活 性。 疏 水 性 是 20 种 氨 基 酸 都 固 有的特性, 是影响蛋白质构象的重要因素, 因此蛋白

AtCBF1 conserved domain in Arabidopsis thaliana

图3

18 种植物 CBF1 类转录因子的系统发生树
Fig. 3 Phylogenetic tree of CBF1 transcription factors in 18 different plants

对预测蛋白质生物 质疏水性 / 亲水性的预测和分析, 学功 能 具 有 重 要 意 义。 用 ProtScale 的 Kyte and Doolittle 算法对不 同 植 物 CBF1 氨 基 酸 序 列 的 疏 水 性 / 亲水性进行预测( 图 4 为 AtCBF1 的预测结果 ) , 并对 特 征 基 序 采 用 anthepro 软 件 表 示 亲 水 / 疏 水 性 ( 图 5 为 AtCBF1 特征基序的预测结果) , 正值越大表 负值越大表示越亲水, 介于 + 0. 5 ~ - 0. 5 示 越疏水,

— Ala) , 含 量 较 非极性氨 基 酸— —丙 氨 酸 ( alanine, 且 双子叶植物 高。酸性 / 碱性氨基酸比例也有所不同, Fa 中 Eg, 和 Gm 酸性 / 碱性氨基酸比例小于 1, 说明 这3 种 植 物 的 碱 性 氨 基 酸 占 主 导 地 位 , 余 双 子 叶 其
表2 Tab. 2

① 不同植物 CBF1 基因的氨基酸序列的组成成分及理化性质

Comparison of composition and physical and chemical characters of amino acid sequence of CBF1 among the different plants
酸性 / 碱性 氨基酸 Acidic / alkaline amino acids Gly(7 . 0% ) Ser(7 . 0% ) Ser(7 . 0% ) Glu(7. 1% ) Gly(8. 1 % ) Val(7. 7% ) Leu(7. 8% ) Pro(7 . 6% ) Gly(7 . 0% ) Arg(6 . 0% ) Gly(7 . 0% ) Leu(7 . 9% ) Arg(6. 2% ) Arg(8. 3 % ) Ser(8 . 1% ) Glu(7. 8 % ) Leu(8. 0% ) Arg(9. 7 % ) 14. 6 /12 . 2 14. 5 /12 . 6 14. 5 /13 . 0 13. 8 /14 . 3 15. 7 /17 . 1 14. 6 /15 . 4 14. 3 /13 . 9 14. 2 /16 . 6 14. 1 /12 . 2 16. 2 /13 . 4 14. 6 /12 . 2 14. 2 /16 . 3 15. 1 /11 . 1 12. 9 /12 . 0 10. 0 /13 . 3 13. 8 /12 . 4 11. 8 /14 . 7 11. 6 /13 . 1

基因名称 Name of gene AtCBF1 BjDREB1 b BnDREB1b EgCBF1 FaCBF1 GmCBF1 HbCBF1 HrCBF1 IlCBF1 NtDREB1b OpCBF1 PaCBF1 StCBF1 HvCBF1 LpCBF OsDREB1 b TaCBF1 ZmDREB1b

分子质量 Molecular weight / u 23 829 . 6 23 835 . 0 23 848 . 0 24 608 . 6 23 427 . 5 26 248 . 5 25 501 . 7 23 694 . 0 23 818 . 0 23 962 . 9 23 829 . 6 26 876 . 4 25 122 . 0 23 137 . 8 22 536 . 5 23 237 . 9 23 336 . 0 27 964 . 0 Ala(10. 8% ) Ala(11. 7% ) Ala(11. 7% ) Ala(12 . 1% ) Ala(10. 4 % ) Ala(13 . 7 % ) Ala(12 . 6% ) Ala(11 . 8% ) Ala(10. 8% ) Ala(12. 1% ) Ala(10. 8% ) Ser(10. 8% ) Ser(13. 3 % ) Ala(14. 7% ) Ala(15 . 7% ) Ala(20 . 6% ) Ala(12 . 7% ) Ala(15. 7 % )

主要氨基酸含量 Content of major amino acids Glu(8 . 5% ) Glu(9 . 8% ) Glu(9 . 8% ) Ser(10. 7 % ) Arg(10. 0% ) Glu(9 . 0% ) Ser(10. 4 % ) Glu(9. 0 % ) Glu(8 . 5% ) Glu(10 . 2% ) Glu(8 . 5% ) Ala(9. 2% ) Ala(11. 1% ) Gly(10. 1% ) Val(8 . 6% ) Arg(10. 1% ) Arg(10 . 4% ) Pro(11. 2 % ) Thr(7. 5 % ) Leu(7 . 9% ) Leu(7 . 9% ) Leu(9 . 8 % ) Glu(8 . 1% ) Arg(8 . 5 % ) Glu(9. 1% ) Arg(7. 6 % ) Thr(7. 5 % ) Ser(7 . 0% ) Thr(7. 5 % ) Arg(9 . 2% ) Glu(11. 1% ) Pro(8. 8 % ) Arg(8 . 1% ) Gly(10 . 1% ) Ser(9. 4% ) Gly(10. 9 % )

蛋白质不 稳定指数 Instability index 49. 00 I 49. 42 I 49. 57 I 50. 63 I 54. 15 I 60. 44 I 65. 63 I 53. 41 I 48. 57 I 49. 39 I 49. 00 I 54. 27 I 69. 51 I 60. 01 I 47. 99 I 59. 31 I 47. 24 I 71. 99 I

① Ala: 丙 氨 酸 Alanine; Glu: 谷 氨 酸 Glutamic acid; Thr: 苏 氨 酸 Threonine; Gly: 甘 氨 酸 Glycine; Leu: 亮 氨 酸 Leucine; Ser: 丝 氨 酸 Serine; Val: 缬氨酸 Valine; Arg: 精氨酸 Arginine; Pro: 脯氨酸 Proline. I: 不稳定 Instability.

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之间 的 主 要 为 两 性 氨 基 酸。 结 果 表 明, 同 植 物 不 CBF1 蛋白的氨基酸序列中亲水性、 疏水性氨基酸都 均匀分布在整个肽 链 中, 水 性 氨 基 酸 多 于 疏 水 性 亲 氨基酸, 并且没有明显的疏水区域, 因此可认为这些 大 蛋白是亲水 性 蛋 白。 结 果 提 示, 约 在 At 中 67 - 91 68 区域具有很强的亲水性, 区域具有较强的疏水 性( 图 4 ) , 预 测 其 他 植 物 可 知, 同 植 物 的 CBF 并 不 蛋白亲水 / 疏水性有一定差异, 是由于植物行使生理 功能存在差异。

β - 转角和延伸链则散 布 于 整 个 蛋 白 质 中。 统 计 表 AtCBF1 由 23. 00% 的 α - 螺 旋、 49% 的 延 伸 15. 明, 2. 链、 35% 的 β - 转 角 和 59. 15% 的 无 规 则 卷 曲 组 12. 成, OsDREB1b 由 35. 78% 的 α - 螺旋、 84% 的 而 2. 延伸链、 75% 的 β - 转角和 48. 62% 的无规则卷曲 不 组成。由此可以看 出, 同 植 物 间 的 二 级 结 构 在 空 间上发生了一定的变异。 用 PSORT 分 析 不 同 植 物 CBF1 编 码 蛋 白 的 亚 AtCBF1 蛋白最终定位于细 细胞定位。由图 7 可知, 胞质的可能 性 为 45. 0% , 位 于 微 体 ( 过 氧 化 物 酶 定 从 体) 的可能 性 为 35. 3% , 而 推 断 该 蛋 白 可 能 定 位 于细胞质内。通过 PSORT 预测可知, 大多数植物的 蛋白亚细胞定位于 细 胞 核 中, 数 植 物 的 蛋 白 亚 细 少 唯有少数蛋白定位于微体中, 如 胞定位于细胞质中, OsDREB1b 蛋 白。 由 此 可 以 看 出, 同 植 物 蛋 白 的 不 亚细胞定位存在差 异, 由 于 植 物 合 成 部 位 及 行 使 是 生理功能所需的反 应 环 境 存 在 差 异, 是 由 于 其 蛋 也 理 为 白的结构、 化 性 质 和 功 能 不 同 所 造 成 的 差 异,

图4
Fig. 4

AtCBF1 全序列亲水 / 疏水性图谱
Predicted hydrophilicity / hydrophobicity graph for CBF1 in Arabidopsis thaliana

此, 探讨 这 些 植 物 蛋 白 的 亚 细 胞 定 位 具 有 重 大 的 意义。 2. 7 CBF1 基因编码氨基酸的三维结构分析 蛋白质的三维结构, 除了共价的肽键和二硫键, 还靠大量的极其复 杂 的 弱 次 级 键 共 同 作 用, 际 上 实 折叠过程是一个正确途径和错误途径相互竞争的过 程。利用 Swiss-model 建模服务器进行 CBF1 结构的 三维建模, 测 不 同 植 物 CBF1 蛋 白 的 三 维 结 构。 预 图 8 为 AtCBF1 的三级结构预测结果, 可看到 α - 螺 旋、 - 转角和 β - 折 叠 片, 此 可 看 到 其 蛋 白 折 叠 β 由 空间结构构象的变化。

2. 6

CBF1 基 因 编 码 氨 基 酸 的 二 级 结 构 及 亚 细 胞 蛋白质的二级结构是多肽链中相邻多个氨基酸

定位分析 T 残基形 成 的 局 部 肽 链 空 间 结 构, H ( α-helix ) 、 由 ( β-turn) 、 ( extended strand ) 和 无 规 则 C ( random E coil) 等几种二级结 构 元 件 组 成, 有 特 定 的 生 物 学 具 E 活性。当H > 45% , < 5% 时为 all-alpha 型; 当 H < 5% , > 45% 时为 all-beta 型; 当 H > 30% , > 20% E E 时为 alpha-beta 型。 用 SOPMA 预测不同植 物 CBF1 氨基酸序列的二 级 结 构, 中 显 示 α - 螺 旋 和 无 规 其 则卷 曲 是 不 同 植 物 CBF1 最 大 量 的 结 构 元 件, 而

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结论与讨论
利用 生 物 信 息 学 方 法 指 导 试 验 工 作 的 设 计, 可

亲水性 Hydrophilicity

疏水性 Hydrophobicity

其他 Other

图5
Fig. 5

AtCBF1 特征基序的亲水 / 疏水性图谱

Predicted hydrophilicity / hydrophobicity graph for specific motifs of CBF1 in Arabidopsis thaliana

第6期



瑶等: 植物 CBF1 转录因子的生物信息学分析

49

α - 螺旋 α-helix

延伸链 Extended strand

β - 转角 β-turn

不规则卷曲 Random coil

图6
Fig. 6

AtCBF1( a) 和 OsDREB1b( b) 二级结构的预测结果

Predicted secondary structure for CBF1 in Arabidopsis thaliana ( a) and OsDREB1b in Oryza sativa ( b)

图7
Fig. 7

拟南芥 CBF1 的亚细胞定位结果

Subcellular localization prediction of CBF1 protein in Arabidopsis thaliana

在 C 端存在 1 个可能起激活作用的酸性结构 域, 在 N 端有 1 个 可 能 作 为 NLS 的 富 含 R 和 K 的 碱 性 结 提高植物对非生物胁迫的抵抗能力。 构域, 唐宁等 ( 2008 ) 利 用 一 系 列 生 物 信 息 学 软 件 分 Th) 析盐芥( Thellungiella salsuginea, ThHKT1 的一级 和二级结构, 与 拟 南 芥 ThHKT1 基 因 序 列 进 行 比 并 对, 从而对该基因的理化性质、 结构特征和功能等进
图8
Fig. 8

拟南芥 CBF1 的三维结构
Tertiary structure of CBF1 in Arabidopsis thaliana

研究结果表明, 其基因编码蛋白分子 行预测和分析, 属于稳定蛋白; 二级结构 式为:C 2631 H 4064 N 636 O 707 S 21 , 18 主要是以无规则卷曲为 主。 本 研 究 结 果 表 明, 种 不同植 物 CBF1 蛋 白 为 不 稳 定 蛋 白, 中 α - 螺 旋 其 和无规则卷曲成 为 最 大 量 的 结 构 元 件, β - 转 角 而 和延伸链则散布于整个蛋白质中。 结构 决 定 功 能, 通 过 对 基 因 和 氨 基 酸 序 列 的 仅 了解并不能充分反 映 蛋 白 质 的 功 能, 蛋 白 质 空 间 故 2004 ) 。 结构的 研 究 越 来 越 得 到 重 视 ( Sergiy et al., AtCBF1 三维空间结构的构象具有 本研究分析得知, 3 其中该区有 1 个 α - 螺旋、 个反 向 平 一定的特点, 行的 β - 折 叠 和 2 个 β - 转 角。 CBF1 的 氨 基 酸 主 要是脂肪族类, 都含 有 非 极 性 氨 基 酸 Ala, 蛋 白 等 其 电点多数为酸性。 因 此, 用 生 物 信 息 学 方 法 对 已 应 知序列进行比对、 析, 断 和 预 测 其 结 构 和 功 能, 分 推 为选择合适的试验 方 法 提 供 理 论 参 考, 这 些 基 因 为 的功能研究提供更全面的理论依据。 参
曹云飞,张海娜,肖

避免试验的盲目性和不必要的重复。在基因研究的 相关文献报道中, 用 生 物 信 息 学 进 行 前 期 或 后 续 利 分析越来越普遍。 CBF1 转录因 子 是 属 于 AP2 转 录 因 子 家 族, 是 植物中广泛存在的 一 类 转 录 因 子, 类 转 录 因 子 主 这 要参与植物的细胞 周 期、 长 发 育 以 及 生 物 和 非 生 生 物胁迫相关基因的 表 达 调 控, 们 都 含 有 非 常 保 守 它 的 DNA 结合区。CBF 转录因子能够识别 CRT / DRE 元件, 调控多个与同类性状有关的基因表达, 在提高 植物对环境胁迫耐 性 的 分 子 育 种 中, 良 或 增 强 一 改 个关键转录因子的 调 控 能 力, 使 植 物 的 耐 逆 性 得 可 到较为综合 的 改 良 ( 张 晗 等,2006 ) 。 本 研 究 对 18 种 不 同 植 物 CBF1 的 生 物 信 息 学 分 析 预 测 可 得, CBF1 转录因子主要由 DNA 结合域、 NLS、 转录 调 控 结构域 3 个功能域 组 成, 植 物 体 内 起 着 激 活 或 抑 在 制基因表 达 的 功 能, 合 CBF1 的 基 本 结 构 特 征。 符 CBF1 结 构 域 有 YRG 和 RAYD 2 个 保 守 的 结 构 域。







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