大腸桿菌HspQ基因的生物信息學分析

周輝 宋莉 趙德剛

摘要：本研究應用相關生物學軟件和在線數據庫對大腸桿菌的HspQ基因進行生物信息學分析。結果表明其編碼了105個氨基酸，推測其可能是一種親水性蛋白，而通過蛋白磷酸化位點的預測表明其含有17個絲氨酸位點、7個蘇氨酸位點、4個酪氨酸位點，通過對其跨膜結構域和信號肽預測顯示其不存在信號肽也沒有跨膜結構域。而我們對其編碼蛋白的二、三級結構進行預測表明其主要由α螺旋和無規則卷曲兩種結構組成。本研究預測結果為進一步研究熱休克蛋白基因奠定了基礎。

關鍵詞：大腸桿菌;HspQ基因;生物信息學

Bioinformatics Analysis of HspQ Gene in Escherichia coli

ZHOU Hui1，SONG Li1*，ZHAO De?gang2*

（1.Guizhou Key Lab of Agro-Bioengineering， Institute of Agro-Bioengineering and College of Life Sciences， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025，China;2.Guizhou Academy of Agricultural Science， Guiyang， Guizhou 550006，China）

Abstract： Bioinformatics analysis of the Escherichia coli HspQ gene was performed using biological software and related databasesin in this study. The results showed that it encodes 105 amino acids and it is speculated that it may be a hydrophilic protein. The prediction of protein phosphorylation sites shows that it contains 17 serine sites， seven threonine sites and four tyrosine acid sites.It is shown by the prediction of its transmembrane domain that this gene may have signal peptide but no transmembrane domain.The prediction of the second and third order structure of its encoded protein indicates that it mainly contains two kinds of structures： α-helix and random-curl. This study laid the foundation for the further study of the heat shock protein gene.

Key words：Escherichia coli; HspQ gene; bioinformatics

熱休克蛋白（Heat shock proteins，HSPs）是在應激脅迫條件下生物體所產生的一類具有保護功能的蛋白[1]，是細胞啟動自我保護機制的生物標志[2]，在微生物、植物、動物體內都廣泛存在[3]。HSPs與逆境脅迫響應密切相關，主要是通過分子伴侶機制保護細胞而提高植物對逆境的耐受性[4]。HSPs根據其序列同源性和分子質量大小，將其分為HSP100、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40、小分子HSP等6個家族[5]。

本課題組前期通過對大腸桿菌應激誘導基因表達譜芯片分析，篩選出差異倍數較高的熱休克蛋白基因，本文對課題組前期篩選出的高表達且功能未知的HspQ基因進行生物信息學分析，為進一步深入研究該基因的生物學功能奠定基礎。

1材料與方法

1.1材料

通過NCBI （https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）數據庫以及uniprot（http：//www.uniprot.org/）蛋白數據庫下載得到大腸桿菌HspQ基因的mRNA序列和蛋白序列。

1.2方法

在對大腸桿菌HspQ基因進行生物信息學分析的過程中，使用MEGA6生物學軟件來進行氨基酸序列的同源比對，并且構建了HspQ蛋白的系統進化樹，使用在線數據庫 ProParam進行蛋白質的理化性質的預測，通過在線數據庫NetPhos 2.0 Server預測磷酸化位點，在線數據庫 SignalP4.0 Server可以用來進行信號肽和跨膜結構預測，用TargerP 1.1 server 進行亞細胞定位和導肽預測分析，用在線數據庫PSIPRE和SWISS-MOLD預測蛋白質二、三級結構，利用STRING對HspQ蛋白進行蛋白-蛋白相互作用進行分析。

2結果與分析

2.1HspQ基因進化樹分析

大腸桿菌HspQ基因的DNA序列共有318 bp，其編碼的蛋白含有105個氨基酸。選擇目標蛋白序列65條，與大腸桿菌HspQ基因的蛋白序列在ClustalX上進行序列比對，然后利用MEGA6生物學軟件構建系統進化樹（圖1）。結果如圖所示，進化樹分為9個大分支和許多小分支，每個分支上相鄰的位置親緣關系較近，結果表明在微生物HspQ基因進化過程中，大腸桿菌與沙門氏細菌、發光細菌等親緣關系較近。

2.2蛋白質理化性質分析

通過在線數據庫ProParam（http：//web.expasy.org/protparam/）[6]預測大腸桿菌HspQ基因編碼蛋白質的理化性質，結果表明，HspQ編碼蛋白的化學方程式為C519H814N142O165S3，預測的分子量為11779.20Da，理論等電點為4.53，為酸性，總平均親水性為-0.397，脂肪系數95.62，不穩定參數52.07;負電荷殘基（Asp+Glu）有17個，正電荷殘基（Arg+Lys）有7個。

2.3親疏水性分析

用在線數據庫ProtScale（http：//web.expasy.org/ProtScale/）[6]分析蛋白質親疏水性，各個氨基酸打分分值見表2，分值小于 0表示親水，大于 0表示疏水，推測此蛋白為親水性蛋白，即蛋白可溶于水。

2.4跨膜區預結構預測與信號肽分析

通過在線數據庫TMHMM（http：//www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）[7]預測大腸桿菌HspQ編碼蛋白是否含有跨膜結構域，結果表明該蛋白全部在膜外，沒有跨膜區域。

通過在線數據庫SignalP（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP）[8]預測大腸桿菌HspQ基因編碼蛋白信號肽，結果表明此蛋白沒有信號肽 。

2.5PSIPRE預測蛋白二級結構

AA代表了目標蛋白質的氨基酸序列。Pred代表了二級結構以及相應的圖例（H：Helix; C：Coil;E：Strand）。Conf數值越高，置信度越高。由PSIPRED預測結果可知：HspQ二級結構主要由折疊和卷曲結構構成。

2.6磷酸化位點

通過在線數據庫NetPhos 2.0 Server（http：//www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/）進行磷酸化位點預測。結果表明其總共含有28個蛋白磷酸化位點，其中絲氨酸位點最多有17個，其次是蘇氨酸位點有7個，最少的是酪氨酸位點只有4個。

2.7亞細胞定位及導肽預測分析

通過在線數據庫TargerP 1.1 （http：//www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/）[9]對HspQ基因進行預測，結果如表3，即編碼105個氨基酸，并且存在線粒體目標肽（mTP）的可能性為14.8%，存在信號肽（SP）的可能性為46.1%，其他導肽或無導肽的可能性為26.8%，這與前面信號肽預測結果相匹配。

2.8同源建模

通過在線工具SWISS-MODEL[10]對大腸桿菌HsPQ基因編碼的蛋白進行建模，得到其蛋白的三維結構如圖所示。通過分析可知，HspQ基因編碼的蛋白的三維結構主要以α螺旋和無規則卷曲為主，這與二級結構分析一致。

2.9蛋白相互作用分析

利用STRING數據庫對HspQ構建蛋白-蛋白相互作用網絡，如圖8所示。通過分析，可知HspQ與rlml、msbA、tus、ftsL、lptC、hha之間相互作用。

3結論與討論

HspQ基因編碼區318bp，由105個氨基酸組成，蛋白的化學方程式為C519H814N142O165S3，預測的分子量為11779.20Da，結構穩定，呈酸性，帶負電荷，預測為親水性蛋白即是一種可溶性蛋白。無明顯的信號肽和跨膜結構，說明HspQ基因不參與物質的跨膜運輸。在非生物脅迫下，有些蛋白質可以作為保護分子來保護植物細胞的穩定，從而提高植物的抗逆性[11]，本研究預測大腸桿菌HspQ蛋白屬于親水性蛋白質，表明HspQ有利于提高植物抵御非生物脅迫的能力。

二級結構預測表明其主要以α螺旋和無規則卷曲為主，無規則卷曲柔性大，經常出現在活躍點和對接點，但是它們受側鏈相互作用的影響很大，能不斷的運動。無規則卷曲經常是酶的活性位點和其他蛋白質特異的功能部位，并且可用于分子識別，在蛋白質特征和功能中起關鍵作用[12]。運用SWISS-MODEL構建 HspQ蛋白三級結構，一般同源性超過30%蛋白質序列均可建立精確結構模型，序列同源性越高則建立模型結構準確性越高[13]，通過分析HspQ三級結構發現主要以無規則卷曲為主，這與二級結構分析一致。跨膜結構預測表明HspQ蛋白主要在胞外起作用，這與余瑛等[14]研究表明熱激蛋白主要是通過分子伴侶機制保護細胞而提高植物對逆境的耐受性相吻合。

參考文獻：

[1]陳育慶，熊琛，閻國珍，等.急性熱暴露大白鼠肝臟熱休克蛋白形成的研究[J].生物化學與生物物理進展，1990（01）：50-53，49.

[2]肖衛民，蔣碧梅，石永忠，等.從凋亡信號通路探討熱休克蛋白保護過氧化氫所致心肌細胞凋亡的機制[J].中國動脈硬化雜志，2003（04）：283-286.

[3]曲凌云，孫修勤，相建海等.熱休克蛋白研究進展[J].海洋科學進展，2004（3）：385-391.

[4]Ballinger D.G.，and Par due M.L.The control of pro- tein-synthesis during heat-shock in drosophila cells involves altered polypeptide elongation rates[J]. Cell，1983，33（1）： 103-113

[5]張永亮，吳家馼，吳梅筠.熱休克蛋白的分類，基因調控及其功能[J].法醫學雜志，1999，V0（4）：239-242.

[6]Gasteiger E，Hoogland C，Gattiker A，Duvaud S，et al.??Protein Identification and Analysis Tools on the ExPASy Server [J].Proteomics Protocols Handbook，2005，112（112）： 571-607

[7]熊偉，楊勇琴，張海洋，等.人線粒體轉錄終止因子1（hMTERF1）蛋白的生物信息學分析[J].生物信息學，2015，13（1）：23-30.

[8]Petersen T N，Brunak S，Von H G，et al.??SignalP 4.0： discriminating signal peptides from transmembrane regions.[J].Nature Methods，2011，8（10）：785-786.

[9]周雅，高貝，張道遠.齒肋赤蘚早期光誘導蛋白ELIPs的生物信息學分析[J].生物信息學，2014，12（4）：233-241.

[10]Arnold K，Bordoli L，Kopp J，et al.??The SWISS-MODEL workspace： a web-based environment for protein structure homology modelling[J].Bioinformatics，2006，22（2）：195-201.

[11]趙琳琳，徐啟江，姜勇，等. 生物和非生物脅迫下的植物細胞中絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號轉導[J].植物生理學報，2008，44（1）：169-174.

[12]Gibson D T，Parales R E.Aromatic hydrocarbon dioxygenases in environmental biotechnology[J].Current Opinion Biotechnology，2000;11（3）：236-243.

[13]諶容，陳敏，楊春賢，等.基于SWISS-MODEL的蛋白質三維結構建模[J].生命的化學，2006（01）：54-56.

[14]余瑛，夏玉先，蔡紹皙.植物小分子熱休克蛋白[J].中國生物工程雜志，2003（7）：38-41.