盐芥ThNHX1基因的生物信息学分析

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（责任编辑王珞）

第48卷第1期2009

年

月湖北农业科学

H ubei A gricultural S ciences

Vol．48No.1Jan ．，2009

收稿日期：2008－10－08

基金项目：南京晓庄学院科研项目（2008NXY10）

作者简介：周梅仙（1960－），女，讲师，江苏宜兴人，（电话）025－86178273（电子信箱）zhoumeixian6890@https://www.360docs.net/doc/32318499.html, 。

盐芥（Thellungiella halophila ）是一种盐生植物，与拟南芥的遗传特性、生活特性相似，均具有植株矮小、自花传粉、种子多、生长周期短、基因组小、易于转化的特点［1］。盐芥具有很强的抗低温、抗干旱和耐盐的能力，它可以在500mmol NaCl 中生长［1］。现在甜土植物拟南芥全基因组序列已经完成，而盐芥

EST 序列与拟南芥基因序列有90％的同源性［2］。盐

芥在cDNA 水平和氨基酸水平上与拟南芥分别有

90％和95％的同源性，因此，可以方便地将拟南芥的

很多信息（基因、蛋白质数据库以及突变体系等）移至盐芥耐盐性的分子生物学研究内。

高盐环境是影响植物生长和发育的主要环境因子之一。为了能够适应高盐环境，植物在进化过程中，演化出三种机制来阻止过多的Na ＋在胞液中

盐芥ThNHX1基因的生物信息学分析

周梅仙

（南京晓庄学院生命科学系，南京

211171）

摘要：利用相关的生物信息学软件分析了盐芥ThNHX1基因编码蛋白的氨基酸组成、等电点、结构域、特征位点、二级结构等蛋白质性质，并与3种甜土植物蛋白做了对比。结果表明，盐芥ThNHX1基因编码蛋白的分子式为C 2790H 4328N 690O 760S 25，属于稳定蛋白；二级结构主要是以无规则卷曲和α－螺旋为主。在所分析的指标中，盐芥ThNHX1与3种甜土植物的NHX1相比，存在着一定的差异。关键词：盐芥；ThNHX1基因；生物信息学；甜土植物中图分类号：Q949．748．3；Q753

文献标识码：A

文章编号：0439－8114（2009）01－0019-04

Bioinformatic Analysis of ThNHX1Gene from Thellungiella halophila

ZH OU Mei－xian

（Department of Life Science ，Nanjing Xiaozhuang College ，Nanjing 211171，China ）

Abstract ：The character istics of ThNHX1gene and its protein such as the constitution of amino acid ，equipotential ，do-main ，characteristic spots ，secondary structure in Thellungiella halophila were analyzed by a series of bioinformatics software．The results showed that this protein was stable ，and the formula was C 2790H 4328N 690O 760S 25．The secondary structure was primari-ly composed of random coil and alpha helix．There some difference between ThNHX1in Thellungiella halophila and three glycophytes in salt－sensitive plants．

Key words ：Thellungiella halophila ；ThNHX1gene ；bioinformatics ；glycophytes

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

湖北农业科学2009年

的积累［1，3，4］，即Na＋的外排、Na＋的区域化和植物细胞对Na＋的选择性吸收。其中Na＋的外排和液泡内Na＋区域化主要依赖于质膜和液泡膜上的Na＋／H＋逆向转运蛋白来完成。Na＋／H＋逆向转运蛋白在动物、植物、藻类、酵母和细菌中都有发现。目前，已经克隆的植物液泡膜Na＋／H＋逆向转运蛋白基因有拟南芥（Arabidopsis thaliana）的AtNHX1［5］、碱蓬（Suaeda maritima）的SsNHX1［6］、玉米（Zea mays）的ZmNHX［7］等。因此，盐芥是一种很有前景的植物耐盐模式系统，现在已被很多实验室用于植物抗逆生理生化机制的研究。我们利用生物信息学的方法研究ThN-HX1的一级结构、二级结构并与拟南芥ThNHX1基因的序列进行了比对，从而对该基因的理化性质、结构特征和功能等进行预测和分析，以期为ThN-HX1基因的深人研究提供参考和理论依据。

1材料与方法

数据资料来源于National Center for Biotech-nology Information（NCBI）核酸及蛋白质数据库中已注册的NHX1的核酸序列及其对应的氨基酸序列，包括盐芥（Thellungiella halophila，DQ995339）、拟南芥（Arabidopsis thaliana，NM＿122597）、水稻（Oryza sativa品种Japonica cultivar－group，NM＿001067106）、小麦（Triticum aestivum，AY040245）。利用生物信息学数据库和互联网上的软件进行分析，用Protparam［8］分析NHX1编码蛋白的氨基酸序列组成、分子量、等电点等理化性质；在NCBI［9］对其保守结构域进行分析；用GOR4［10］预测其二级结构；用Protfun［11，12］分析蛋白质功能。所用主要分析软件的网址如下：Protparam：http：／／www．expasy．ch／tools／protparam．html．

GOR4：http：／／npsa－pbil．ibcp．fr：80／cgi－bin／npsa＿automat．pl？page＝npsa＿gor4．html．

Protfun：http：／／www．cbs．dtu．dk／services／ProtFun／

NCBI：http：／／www．ncbi．nlm．nih．gov．

2结果与分析

2．1盐芥ThNHX1基因编码的氨基酸序列的分析该cDNA全长2045bp。通过NCBI网站的ORF Finder工具分析，推测该基因包括1638bp的开放读码框（open reading frame，ORF），42个碱基的5′非翻译区（5′－untranslated region or5′－UTR），365个碱基的3′非翻译区（3′－untranslated region or 3′－UTR），编码1个545个氨基酸的多肽。

在NCBI对其保守结构域分析的结果如图1所示。NhaP结构域是Na＋／H＋和K＋／H＋无机离子逆向转运蛋白的保守结构域；Na＿H＿Exchanger是Na＋／H＋交换体家族。Na＋／H＋逆向转运蛋白是维持细胞所需物质交换的最适pH最关键的逆向转运蛋白。逆向转运蛋白的分子机理目前还不太清楚。这些逆向转运蛋白在氨基末端含有10～12个跨膜区域，在羧基末端有一个大的细胞质区域。M3～M12跨膜区域与家族其他成员是一样的。M6和M7区域是高度保守的。所以，推测这些区域参与了钠离子和氢离子的转运。KefB是细胞膜一部分，是K＋转运系统。PRK05326是K+／H+逆向转运蛋白。COG3263是NhaP的一种类型，该逆向转运蛋白具有一个独特的C末端区域。

2．2盐芥ThNHX1基因编码蛋白的理化性质用ProtParam分析软件对盐芥ThNHX1编码蛋白的理化性质进行预测，推测该蛋白的分子式为C2790H4328N690O760S25，分子量是60498．7Da，等电点PI 6．94；理论推导其半衰期分别为：30h（体外，哺乳动物的网织红细胞内）；20h（体内，酵母细胞内）；10h （体内，大肠杆菌）。不稳定参数是34．82，属于稳定蛋白。该基因编码的氨基酸如图2所示：含Leu（L）最多，占13．2％；不含Asx（B）、Glx（Z）、Xaa（X）。总的带正电残基（Arg＋Lys）为40，负电残基（Asp＋Glu）为41。总的亲水性平均系数为0．471，预测该蛋白属于疏水性蛋白。

表1显示，盐芥ThNHX1的特殊氨基酸组成与3种甜土植物的比较表明，除小麦以外，不同植物NHX1的分子量、酸性和碱性氨基酸的比例、极性氨基酸的比例、疏水性氨基酸的比例基本一致；含量最丰富的氨基酸基本均为Leu、Ser、Phe、Val、Thr；均属稳定类蛋白质。不同植物NHX1理论等电点PI 存在一定的差异，盐芥与拟南芥NHX1的PI比较图1盐芥ThNHX1基因结构域1100200300400500545图2盐芥ThNHX1基因编码氨基酸组成

14.0

12.0

10.0

8.0

6.0

4.0

2.0

0.0

百

分

比

AlaArgAsnAspCysGlnGluGlyHisIleLeuLysMetPheProSerThrTrpTyrVal

氨基酸

3.5%

7.0%

3.7%

4.8%

1.1%

2.0%

2.8%

6.2%

2.8%

6.6%

13.2%

3.9%

3.5%

8.3%

3.5%

8.6%

7.6%

1.1%

2.6%

7.7%

第1期

接近，分别为6．94和6．73；水稻和小麦NHX1的PI 比较接近，分别为8．67和8．13。盐芥与拟南芥NHX1在各指数上都比较接近，这与它们之间的亲缘关系相近是吻合的。

2．3盐芥ThNHX1蛋白的二级结构

应用GOR法分析盐芥ThNHX1蛋白的二级结构，结果见图3。分析表明，在该氨基酸序列中，共有α－螺旋（Alpha helix）176处，占总二级结构的32．29％；延伸链（Extended strand）126处，占总二级结构的23．12％；无规则卷曲（Random coil）243处，占总二级结构的44．59％。

通过物种间的比较发现，盐芥ThNHX1的二级结构与其他3个物种的存在一定的差异，但差异并不大（表2）。在盐芥ThNHX1蛋白中，α－螺旋分别比拟南芥和小麦多24和25个，比水稻少7个；延伸链比小麦和水稻分别多9和2个，比拟南芥少6个；无规则卷曲比水稻多15个，比拟南芥、小麦分别少11、35个。说明盐芥ThNHX1蛋白在空间结构上与拟南芥、水稻、小麦相比发生了一定的变异。

2．4盐芥ThNHX1蛋白质的结构分析和功能分类ProtFun预测ThNHX1基因编码的蛋白含有2个N－糖基化位点（53，296）；2个O－糖基化位点（535，543）；24个磷酸化位点（6，17，19，21，77，252，336，338，340，348，378，460，478，493，515，533，253，304，305，343，465，535，152，292）；12个跨膜位点（12putative TM helices at positions，24～46，55～72，87～104，116～138，153～172，179～201，221～243，270～292，307～324，345～367，387～406，419～441）。

ProtFun预测ThNHX1蛋白的功能分类如图4箭头所示，推测该蛋白的功能可能是转运结合体（Transport and binding），进一步预测该基因编码蛋白是转运蛋白（Transporter）。

3小结与讨论

本文利用ProtParam对盐芥ThNHX1编码蛋白的理化性质进行了预测，推测该蛋白的分子式为C2790H4328N690O760S25，分子量是60498．7Da，等电点PI 6．94。盐芥ThNHX1的特殊氨基酸组成与3种甜土植物的比较表明，大部分指数基本一致。盐芥与拟南芥NHX1在各指数上都比较接近，这与它们之间的亲缘关系相近是吻合的。对其保守结构域的分析表明，盐芥ThNHX1具有NhaP结构域，NhaP结构域是Na＋／H＋和K＋／H＋无机离子逆向转运蛋白的保守结构域。

应用GOR法分析盐芥ThNHX1的二级结构结

图3ThNHX1蛋白的二级结构

表2不同植物NHX1基因的二级结构分析

α-螺旋

延伸链

无规则卷曲

总数

个

176

126

243

比例

32.29

23.12

44.59

总数

个

152

132

254

比例

28.25

24.54

47.21

总数

个

183

124

228

比例

34.21

23.18

42.62

总数

个

151

117

278

比例

27.66

21.43

50.92

盐芥拟南芥水稻小麦

表1不同植物NHX1基因的核酸序列及对应氨基酸序列的组成成分、理化性质分析

项目

盐芥拟南芥水稻小麦

GeneBank

登录号

DQ995339

NM＿122597

NM＿001067106

AY040245

开放阅

读框

1638

1617

1608

1641

编码的

氨基酸

总数

545

538

535

546

分子量

60498．7

59513．4

59070．3

59704．3

理论等

电点

6．94

6．73

8．67

8．13

含量最丰富的氨基酸/％

Leu13．2

Leu12．9

Leu13．4

Ser8．6

Ser8．9

Ser9．0

Ile8．6

Phe8．3

Phe7．8

Phe8．0

Val8．4

Val7．7

Val7．8

Val7．5

Phe8．1

Thr7．3

Thr7．6

Thr7．5

Ser7．9

碱性氨

基酸比例

％

10．2

9．6

9．8

8．9

酸性氨

基酸比例

％

7．6％

7．2

6．4

6．6

疏水性氨

基酸比例

％

50．9

50．1

51．4

53．5

极性氨

基酸比例

％

43．1

42．1

41．3

38．8

34．82

32．71

35．58

31．03

属于稳定蛋白

蛋白质不稳

定性指数/％

周梅仙：盐芥ThNHX1基因的生物信息学分析21

湖北农业科学2009年

图4ThNHX1蛋白的功能分类

（责任编辑王珞）

果表明，ThNHX1的二级结构以无规则卷曲和α－螺旋为主。通过物种间比较发现，盐芥ThNHX1二级结构与其他3个物种的有一定的差异，说明盐芥

ThNHX1蛋白在空间结构上与拟南芥、水稻、小麦的

相比发生了一定的变异。

采用蛋白质序列进行后续分析十分重要，即使两条DNA 序列之间具有67%的相关性，但是在蛋白质水平上仍可获得100％的一致性。显然，使用蛋白质序列进行后续分析更能够发现该研究对象的生物学意义，因为蛋白质水平之间具有25％的同源性就可提示其功能的相似性，但是在DNA 水平则需要40％以上的一致性［10］。应用生物信息学方法对已知NHX1序列进行比对、分析，从而对其结构和功能进行推断和预测，这可以为我们在开展试验研究前提供尽可能多的信息，从而为选择合适的试验方法提供理论参考，为进一步对该基因的功能研究

提供线索。

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