植物跨膜蛋白研究进展_宋江华

多种生物信息学工具和软件被用于预测 植物跨膜
蛋白的功能 , 例如进行膜蛋白数据库查 找时采用 NCBI (/), 或 SwissProt+TREMBL(ftp:///databases/);对 于一 些 跨膜 蛋白的功能分类可以通过 BLAST先进行序列比对 , 然 后采 用 CDD服 务 器 (/ Structure/cdd/)寻找保守的功能结构域 。目 前 CDD包 含两个程序软件 (Smart和 Pfam)搜 集到的 结构域 。最 近又 有 一 个 新 的 生 物 信 息 学 工 具 GO(http://www. )被用来分析各 种生物物 种中的 调控因 子 , 包括植物中的拟南芥和水稻 , 该系统工具 以分子机 制 、生物功能和细胞组分为基础 。
了解分子结构是了解生物大分子功能的 一个重要
途径 。但是 , 由于跨膜蛋白具有强 疏水性 , 难于形 成 X 射线衍射所需要的晶体 , 加之实验技术的限 制 , 目前仅 有少数跨膜蛋 白的 结构被 实验测 出 。可见 , 已知 的跨 膜 蛋白序列 个数与 其结构个 数之间 存在巨大 的差距 , 这就 需要有 效的 、准确 度高的 算法来预 测跨膜 区域和 跨膜方向以指导跨膜蛋白的研究 。而且膜蛋 白一般具 有保守的跨膜螺旋结构 , 序列特征明显 , 比较 适合用预 测的 方法确 定跨膜螺 旋区段 的位置 , 因 此用计 算机预
收稿日期 :2008 -10 -12;修回日期 :2008 -11 -17 作者简介 :宋江华 (1980 -), 女 , 博士 , 讲师 , 主要从事植物基因组学研究 , E-mail:jianghua80@。 基金项目 :国家自然科学基金 (编号 30800750);安徽农业大学引进人才科研资助项目 (编号 yj2008-2)
中图分类号 :Q591.2
文献标识码 :A
文章编号 :1008 -9632(2009)06 -0062 -03
近年来 , 随着不 同生物 物种 基因组 测序 计划 的迅 猛发 展和分 子结构测 定技术 的突破 , 在植物基 因组序 列中发现了成千上万个已知的与预测的 跨膜蛋白 。这 些跨 膜蛋白 是一类结 构独特 的蛋白质 , 在各种 细胞中 普遍存在 , 发挥 着重 要的生 理功能 。 在目前 的基 因组 数据中 , 有 20% ～ 30%的基因产物被预测为 跨膜蛋白 , 这样的比重显示了跨膜蛋白在植物体中的重要性 [ 1] 。 1 跨膜蛋白的理化性质
跨膜蛋白除了 具有 α螺旋 、 β 折叠 和预 测的 跨膜 域结 构等一 些共同特 征外 , 根 据其在 植物细胞 中的不 同定位 , 膜蛋白还包含一些特异性 , 例如不同 膜蛋白具 有不 同 的 等 电 点 、蛋 白 分 子 量 、半 胱 氨 酸 含 量 等
等 [ 2 -3] 。有的植物 膜蛋 白还 包 括转 运多 肽 , 将 这 些蛋 白质定位在特定的膜系统 , 如叶绿体膜或 线粒体膜 [ 4] 。 Sun等研究表明叶 绿体内膜转 运蛋白具有 以下 4 个共 同特点 :(1)包 含 叶 绿 体 转运 多 肽 ;(2)Res/TMD < 100;(3)TMD≥ 4;(4)等电 点 (pI)>8.8。 并根 据这 些参数对拟南芥 蛋白质 数据 库进 行筛 选 , 获 得 136 个 具备上述条件的跨膜蛋白 [ 5] 。通过生物信息 学工具对 蛋白 质序列 进行预测 计算 , 可 以获得跨 膜蛋白 的特征 信息 , 为进一 步明确跨 膜蛋白 的细胞定 位和功 能奠定 基础 。 2 跨膜蛋白的结构预测
MEMSAT及 TMAP两种方法将氨基酸分 布的偏好 性考虑在 内 , 对跨 膜蛋 白 的结 构进 行预 测 。 MEMSAT 通过统计分析 , 得到各 种氨 基酸分 别在膜 内 、膜 外 、跨 膜核 心区 、跨 膜末端 区出现的 频率和 它们在整 个跨膜 蛋白 序列中 出现的频 率 , 根据 这两个 频率的比 值得到 氨基 酸出现 的偏好性 , 通过动 态规划 算法对目 标序列 进行跨膜 结构 的 预测 。 TMAP统 计 方法 与之 不 同 , 是 针对 一个跨 膜蛋白家 族进行 统计和分 析 , 从多 序列比 对的信息来进行预测的 。而基于隐马尔可夫 模型的预 测软件 TMHMM及 HMMTOP, 通过 模型参 数和特 定算 法来得到待测序列的结构 , 具有完善的数 学理论支持 , 所以两种方法都具有较高的预测准确度 。
植物膜蛋白具有一些共同的理化性 质 。由于跨膜 蛋白 穿过膜 的膦脂双 层 , 这种 特殊的 环境就决 定了跨 膜区必须由强疏水的氨基酸组成 。一般的跨 膜蛋白包 括 1 ～ 20 个跨膜区 , 跨膜区 完全 地跨越 或者 部分 地插 入细胞膜内 。同 时 , 膦脂 双层的 厚度 又决定 了跨 膜区 大约由 20个左右 的氨基 酸组 成 。为了 能够 稳定 地存 在于 膜的膦 脂双层中 , 许多膜 蛋白的 跨膜区以 特定的 α螺旋或 β 折叠两种结构类型嵌入膜中 。
摘 要 :跨膜蛋白是一类结构独特 , 在植物细胞中 广泛存在 , 并 发挥重要生 理功能的 蛋白质 。 综述了 植物跨 膜蛋白
的理化性质 、蛋白质结构预测的方法 , 以及其生理 功能的研究进展 。 随 着对植物 跨膜蛋白的 深入研究 , 将有 助于揭
示跨膜蛋白对植物生长发育调控的重要 分子机制 。
关键词 :跨膜蛋白 ;理化性质 ;结构预测 ;生理功能
综合 比较 以上 算 法 , TMHMM、HMMTOP和 MEMSAT是根据 单 序列 信 息 进 行 预 测 , 而 TMAP、 PHDhtm 是根 据多序 列信息进 行预测 , 因为多 序列信息 考虑了 不同 位置序 列的保守 程度 , 从 而消除 了单序列 由于变 异而带来的噪声 , 可提高预测准确度 。
测跨膜蛋白的结构是蛋白质结构预测的主要 研究内容 之一 。 2.1 经典的 Kyte＆ Doolittle法预测
目前 , 国际上已 有多种 预测 跨膜蛋 白跨 膜区 和跨 膜方向的算法 。其中最早的也是最简单的算 法开始于 1982年 , Kyte和 Doolittle根据各 个氨基 酸在 有机 溶剂 和水 中的分 布系数以 及在蛋 白质结构 中的分 布 , 给出 它们各自的疏水标度值 , 然后根据疏水标度 值 , 把氨基
第 26卷第 6期 2009年 12月
生物 学杂 志 JOURNALOFBIOLOGY
doi∶10.3969 /j.issn.1008 -9632.2009.06.062
Vol.26 No.6 Dec, 2009
植物跨膜蛋白研究进展
宋江华 1 , 张立新2
(1.安徽农业大学园艺学院 ;2.安徽农业大学植物保护学院 , 合肥 230036)
一个特定的跨膜蛋白可能单独发挥完整 的转运功
能或者与其它相关蛋白构成跨膜蛋白复合体 一起执行 功能 。研究跨膜蛋白的功能不仅可以了解特 定生物膜 的功能 , 而且有助于分离与这些功能相关的 分子组分 。 许多转运蛋白分离自特定的细胞膜 , 例如 , 离 子和代谢 转运蛋白以及蛋白输入复合体亚基大多分布 于质膜和 线粒体膜 , 另 外 , 通 道及 H+-ATP酶 也存 在 于质 膜上 , 这 两类蛋白 质与质 体和线粒 体的代 谢路径密 切相关 。 在质膜蛋白质 组中 , 许 多跨膜 蛋白 参与了 脂肪 、碳 、维 生素及一些色素的代谢 。而线粒体膜上的跨 膜蛋白大 多与呼吸链及 ATP的合成 代谢 有关 。烟 草 (Nicotiana tabacum)NtSyp121蛋白 定位 于 质膜 , 其在 烟草 叶 片中 的表达受干旱 、ABA和盐刺激诱导 。 当 NtSyp121 蛋白 的功 能结构 域缺失时 , 不仅阻 碍了高尔 基体和 质膜间 的膜泡运输 , 同 时也 造成 ABA控 制的 离子 通道 受阻 , 推测 NtSyp121蛋白除了是一 种膜融合 蛋白外 , 还可能 直接与离 子通 道作 用 , 影响 气孔 运动 [ 8] 。 AtSyp121 和 AtSyp122 同源蛋白 都定 位于 质膜 , 其 表达 引起 细 胞壁 加厚 和乳突 形成 , 对拟 南芥抵 抗白粉病 具有十 分重要 的作用 [ 9] 。 Bhat等对 pht2 ;1 ::GFP融 合基 因的 瞬时 表达定位 分析 表明 该蛋 白 特异 地定 位 于叶 绿 体 内膜 上 , 提 示该蛋 白可能与 植物叶 片对磷饥 饿的反 应密切 相关 [ 10] 。跨膜 蛋 白 的定 位 不 同 , 其 功 能 特 征也 有 差 异 , 了 解这些 膜蛋白的 功能为 进一步深 入阐明 不同细 胞膜系统的作用提供了线索 [ 11] 。
此外 , 由于疏水性是跨膜螺旋的主要 序列特征 , 而 在球 形蛋白 的疏水核 心也可 能存在长 段疏水 序列 , 这 会产生假阳性 预测 结果 。同时 有研 究表明 , 氨基 酸的
分布位置及其对膜蛋白结构的影响还与跨膜 区的长度 和跨膜区的疏 水梯 度有关 [ 1] 。 鉴于多 种因 素的 影响 , 我们 认为预 测时应尽 量综合 考虑各种 影响因 素 , 排除 噪声 , 以有效提 高结 构预测 的准确 率 。通过 对跨 膜蛋 白结 构预测 的不同算 法精度 的比较 , 能够揭示 出其隐 含的生物学意义 , 从而指导跨膜蛋白生物功能的研究 。 3 跨膜蛋白的功能研究
跨膜蛋白处于 细胞 与外界 的交界 部位 , 介导 细胞 与外 界之间 的信号传 导 , 并执 行很多 重要的细 胞生物
学功能 , 例如 , 构成 各种 信号分 子 、激素 和其 他底 物的 受体 ;参与细胞 膜内外 物质交 换 、能 量和信 号的 传递 ; 构成 各种离 子跨膜的 通道 , 把 营养物质 和一些 无机电 解质 输入细 胞 , 而将有 毒的或 无用的代 谢产物 排出细 胞 ;以及构成呼 吸链和 转运 蛋白等 作用 。因 此对 跨膜 蛋白的功能研究具有重要的意义 。
氨基酸序列的一些特征可以用来简单地 推断蛋白 质的部分性质 。决定蛋白质结构类型和稳定 性的一个 最重要 的 因 素 是 氨 基 酸 序 列 的 疏 水 性 。例 如 , 根 据 RES/TMD(RES=氨基 酸数量 , TMD=预测 的跨 膜域 ) 推测蛋白质的疏水性 。 RES/TMD的比值越 低 , 蛋白质 的疏水性越强 (RES/TMD<200)。膜 蛋白中跨 膜区数 量 (TMDs)的 多 少 是 通 过 一 些 软 件 如 HMMTOP或 TMHMM等分析预测获得的 。