變異鏈球菌UA159細胞壁蛋白的預測和功能分析

朱德全 郝瑩瑩 姚嘉 張躍華 韓誠武 盧偉 欒積毅 劉向東

摘要[目的] 對變異鏈球菌UA159細胞壁蛋白進行預測和功能分析，為后續研究該菌致病機制奠定基礎。[方法] 用Phobius和SignalP 40軟件預測變異鏈球菌UA159的細胞壁蛋白，并采用COG功能數據庫對細胞壁蛋白進行功能注釋。[結果] 變異鏈球菌UA159共含有 22個細胞壁蛋白，其中含有LPxTG錨定基序的有12個，含有LysM基序的有3個，含有CW基序的有5個，含有GW基序的有1個，含有PG錨定基序的有1個。功能分析結果顯示，22個細胞壁蛋白中有18個蛋白沒有具體的功能注釋，4個蛋白有具體的功能注釋，其中 beta-lactamase與防御機制功能有關；exo-beta-D-fructosidase與碳水化合物代謝與轉運有關；分子伴侶蛋白ATP-dependent protease ClpE與蛋白質翻譯后修飾和蛋白質折疊有關；cell wallassociated protein WapA與細胞壁和細胞膜的生物合成有關。[結論] 變異鏈球菌UA159全基因組大多數的細胞壁蛋白功能未知，需在以后研究中進行進一步的功能注釋。

關鍵詞變異鏈球菌；基因組；細胞壁蛋白；功能

中圖分類號S188+.2文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）19-0121-02

Prediction and Functional Analysis of Cell Wall Proteins of Streptococcus mutans UA159

ZHU Dequan1，HAO Yingying2，YAO Jia3* et al

（1.College of Science，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007；2.College of Life Science，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007；3.College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007）

Abstract[Objective] The genome sequence of Streptococcus mutans UA159 was studied to predict the proteins anchored in the cell wall by bioinformatics method，which lay the foundation for further study of the pathogenic mechanism of the strain.[Method] The cell wall proteins of S.mutans UA159 were predicted by using Phobius and SignalP 4.0 softwares.The function analysis of cell wall proteins were predicted by using the functional database of Cluster of Orthologous Groups of proteins （COG）.[Result] There had 22 cell wall proteins in the genome of S.mutans UA159，in which 12 proteins had LPxTG anchor motif，3 proteins had LysM motif，5 proteins had CW motif，1 protein had GW motif，and 1 protein had PG anchor motif.Functional analysis results showed that 18 proteins of the 22 cell wall proteins had no functional annotations，4 proteins had functional annotations，betalactamase protein was related to defensive mechanism function； exobetaDfructosidase protein was related to carbohydrate metabolism and transport； ATPdependent protease ClpE protein was molecular chaperone protein ，which related to protein posttranslational modification and protein folding，cell wallassociatied protein WapA was related to cell wall/membrane biosynthesis.[Conclusion] Most of the cell wall proteins of S.mutans UA159 genome are unknown，and further functional annotations are needed in future study.

Key wordsStreptococcus mutans；Genome；Cell wall proteins；Function

變異鏈球菌是口腔內重要的致齲菌，其致齲原因主要包括對牙面的黏附、利用糖類產生多糖以及較強的產酸和耐酸能力[1]。齲病發病的前提條件是致齲菌的生長和產酸，致齲菌是口腔中的常駐微生物群，其中變異鏈球菌和乳桿菌與齲病的關系十分密切，可發酵多種糖類產酸，致菌斑pH下降和釉質脫礦溶解，造成齲損。2002年，TAKAO等[2]完成了Streptococcus mutans UA159全基因組測序工作，該基因組是一個環狀染色體，有1 963個開放閱讀框，其中63%的ORF已推測出其相應的功能。S.mutans UA159全基因組測序的完成標志著S.mutanss研究進入了基因組時代。

S.mutans UA159作為一種革蘭氏陽性菌，菌體最外含有一層較厚的細胞壁，主要是由肽聚糖和磷壁酸組成。在細胞壁的外周有時錨定有蛋白質，這些蛋白質通過特殊的結構錨定在細胞壁上，如含有LPxTG結構的區段、LysM、PG等區域，由于細胞壁蛋白處于菌體的外層，在適應外界環境和與宿主細胞之間發生相互作用方面，具有重要的作用。

細胞壁蛋白由于具有特殊的序列結構，可以以細菌基因組序列通過生物信息學的方法預測分析這類蛋白。如孫理云[3]采用生物信息學方法對2型豬鏈球菌98HAH33細胞壁結合蛋白進行了分析，結果共預測出9種分選酶底物、2種具有LysM域的蛋白。但目前關于變異鏈球菌大規模地分析鑒定細胞壁蛋白，還鮮見報道。該研究用Phobius（http：//phobius.binf.ku.dk/）、SignalP 4.0、COG功能數據庫分析S.mutans UA159的細胞壁蛋白和功能[4]。

1材料與方法

1.1材料

美國國立生物技術信息中心（NCBI）GenBank公布的變異鏈球菌UA159的基因組序列，GenBank 的登錄號是NC_004350.2。

1.2方法利用Phobius（http：//phobius.binf.ku.dk/）鑒定出含有LPxTG基序的蛋白質，SignalP 4.0 軟件（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP）對變異鏈球菌UA159基因組蛋白的信號肽進行分析。同時采用COG （http：//eggnog.embl.de/）功能數據庫對分析得到的細胞壁蛋白進行功能注釋和聚類分析。

2結果與分析

2.1變異鏈球菌UA159基因組細胞壁蛋白分析使用生物信息學方法對變異鏈球菌UA159基因組中的編碼蛋白進行細胞壁蛋白分析，結果見表1。

變異鏈球菌UA159基因組1 960個編碼蛋白中，22個蛋白含有細胞壁的錨定結構域，其中含有LPxTG錨定基序的蛋白有12個，含有LysM基序的蛋白有3個，含有CW基序的蛋白有5個，含有GW基序的蛋白有1個，含有PG錨定基序的蛋白有1個。同時在這些細胞壁蛋白中含有信號肽（signalp）的蛋白有12個，表明這些蛋白的部分可以分泌到細胞外。在所有細胞壁蛋白中含有跨膜結構域 （tmhmm）的蛋白也是12個，跨膜螺旋數在1～4個。

Note：hmm（） indicated the anchor motif containing the cell wall；signalp indicated proteins containing signal peptide sequence；tmhmm（） indicated it may contain transmembrane helical and number；[V].Defense mechanisms；[G].Carbohydrate transport and metabolism；[R].Function is predicted；[O].Protein modification after translation；[M].Cell wall/membrane biosynnthesis；[S].Function unknown

2.2變異鏈球菌UA159基因組細胞壁蛋白功能分析

22個細胞壁蛋白的功能分析結果表明，11個蛋白沒有COG功能注釋，有7個蛋白只是預測的功能，也沒有具體的功能注釋，這些蛋白的功能還需要在以后的研究中分析。4個蛋白有具體的功能注釋，1個蛋白（betalactamase）與防御機制功能有關，1個蛋白（exobetaDfructosidase）與碳水化合物代謝與轉運有關，1個蛋白（ATPdependent protease ClpE）是分子伴侶蛋白，與蛋白質翻譯后修飾和蛋白質折疊有關，1個蛋白（cell wallassociated protein WapA）與細胞壁和細胞膜的生物合成有關。

3結論

細菌細胞壁蛋白是通過特殊的結構錨定在細胞壁上，由于細胞壁蛋白處于菌體的外層，在適應外界環境和與宿主細胞之間發生相互作用方面具有重要的作用[6]。但由于該類蛋白處于較厚的細胞壁之間，具有疏水性區域，分離和鑒定相對較困難，傳統的電泳方法不能完全鑒定這類蛋白[5-6]。越來越多的雙歧桿菌菌株基因組測序的完成，使得以基因組序列為對象采用生物信息學方法分析細胞壁蛋白成為可能[7]。該研究以變異鏈球菌的代表菌株UA159為對象，采用生物信息學方法對該菌的細胞壁蛋白進行預測和功能分析。分析發現1 960個編碼蛋白中，22個蛋白含有細胞壁的錨定結構域。功能分析結果顯示，22個細胞壁蛋白中有18個蛋白沒有具體的功能注釋，這些蛋白的功能還需要進一步研究。該方法分析獲得的細胞壁蛋白，與傳統的蛋白質組學方法互為補充，將為分析變異鏈球菌的毒力因子和致病機制提供數據基礎和分子靶標。

參考文獻

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[3] 孫理云.用生物信息學方法預測2型豬鏈球菌98HAH33細胞壁結合蛋白[J].中國人獸共患病學報，2010，26（1）：72-75，80.

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安徽農業科學，Journal of Anhui Agri. Sci.2017，45（19）：123-125，230