小麥醇溶蛋白序列的分子生物信息學分析

◎ 賈一真，王久星，賈 峰，王金水

（1.鄭州市第十六中學高三（1）班，河南 鄭州 450000；2.河南工業大學生物工程學院，河南 鄭州 450000）

小麥是中國第二大口糧作物，為北方人民的生活主食，隨著人們生活水平的提高，人們不僅重視其產量，也開始更加重視其內在品質[1-2]。小麥醇溶蛋白是面筋的主要組成成分之一，醇溶蛋白的相對分子質量小，溶于乙醇溶液，能賦予面筋延展性，醇溶蛋白與麥谷蛋白相互作用會形成網狀結構，使面筋具有彈性等[3]；醇溶蛋白也是影響面包烘烤[4-5]及饅頭品質[6]的重要成分，醇溶蛋白的含量與質量決定著面筋的延展性及品質[7]。醇溶蛋白含量高的面粉適合做蛋糕和餅干等食品；醇溶蛋白可分為α、β、γ和ω4類，或者按照韋恩分類方法分為8類[7]；醇溶蛋白的基因位于小麥的第1、6號染色體上，由于染色體會出現易位的現象，所以基因也會隨著染色體的移動而移動，從而出現醇溶蛋白的遺傳多樣性[8-9]。

生物信息學是隨著基因組學和蛋白質組學的不斷發展而產生的交叉性的新興學科[10]，依賴計算機軟件和硬件的發展[11-12]，應用數學的相關思維，在“序列決定結構，結構決定功能”這一重要理論的指導下[13]，生物信息學研究內容主要是基因組學和蛋白質組學的數據分析，通過對已知的生物學實驗數據的一系列分析，解釋目標數據所具有的生物學意義。

本文利用Protparam、Clustalw、MEME program3、PSIPRED version 3.3等軟件工具對小麥醇溶蛋白的理化性質及結構等進行預測分析，可得到目標蛋白的分子質量、理論等電點、總平均親水性、不穩定系數和脂肪系數等基本理化數據，為蛋白質的深入研究提供了一點借鑒。

1 材料與方法

1.1 小麥醇溶蛋白序列的獲取

從NCBI Protein數據庫將小麥醇溶蛋白序列的氨基酸數目在300 AA左右、且不同源的序列挑選出來，從中隨機選擇α/β-醇溶蛋白3條序列、γ-醇溶蛋白3條序列和ω-醇溶蛋白4條序列，序列的格式采用FASTA格式。

1.2 小麥醇溶蛋白的理化性質分析

利用ExPASy的Protparam與Protscale軟件預測醇溶蛋白的主要理化性質及蛋白質親水性/疏水性，具體步驟參考Flynn等方法[14]。

1.3 小麥醇溶蛋白多序列對比和系統進化樹的構建

利用Clustalw軟件在線分析小麥醇溶蛋白多序列對比和系統進化樹的構建。從Launch Clustal Omega進入界面，點擊“選擇文件”按鈕，選擇要比對的10條小麥醇溶蛋白的文本文檔FASTA格式，點擊最下方的“Submit”按鈕，會彈出序列比對圖，點擊上方的“Phylogenetic Tree”按鈕生成系統進化樹。

1.4 小麥醇溶蛋白基序分析

利用MEME program3軟件（http://meme-suite.org/）在線分析小麥醇溶蛋白的類型和排列順序。在“Input the primary sequences”選擇“Type in sequences”將 10條小麥醇溶蛋白序列用FASTA格式輸入，motif數量設置為10，點擊“Start Search”開始基序分析。

1.5 小麥醇溶蛋白二級結構預測

采用PSIPRED version 3.3軟件在線預測工具對小麥醇溶蛋白的二級結構（α-螺旋和β-折疊）、域和折疊域識別進行預測分析。

2 結果與分析

2.1 小麥醇溶蛋白的基本理化性質

對10條小麥醇溶蛋白序列基本理化性質的分析結果如表1所示。由表1可以看出，醇溶蛋白氨基酸長度在279～328 AA，分子質量在32.04～39.63 kU，理論等電點在6.04～8.91，其中，α/β和γ-醇溶蛋白的理論等電點大于7.00，為堿性蛋白質，而ω-醇溶蛋白的理論等電點小于7.00，為酸性蛋白質。該10條醇溶蛋白的平均疏水指數均為負值，在-1.585～-0.595，表明都有一定的親水性，ω-醇溶蛋白的親水性最大，平均疏水指數是-1.433，α/β-醇溶蛋白的親水性次之，平均疏水指數是-0.802，γ-醇溶蛋白的親水性最小，平均疏水指數是-0.694。10條小麥醇溶蛋白的不穩定系數均大于40，屬于不穩定蛋白質，其中ω-醇溶蛋白的平均不穩定系數最大，為155.03；其次是α/β-醇溶蛋白，平均不穩定系數為110.80，最小是γ-醇溶蛋白的平均不穩定系數為103.60。α/β-醇溶蛋白的脂肪系數平均為71.35，γ-醇溶蛋白的脂肪系數平均為67.20，ω-醇溶蛋白的脂肪系數平均為35.74。

表1 小麥醇溶蛋白的主要理化性質分析表

2.2 小麥醇溶蛋白序列的多序列比對分析

對10條小麥醇溶蛋白的氨基酸序列分析結果如圖1所示。由圖1可以看出，醇溶蛋白氨基酸序列都含有保守位點脯氨酸P（Pro）和谷氨酰胺Q（Gln），除CAC94871.1、ACN62214.1和ATD83895.1之外，醇溶蛋白N端起始部分具有相似的氨基酸序列；小麥醇溶蛋白序列大致分為10個片段，同基序照應；“*”表示比對的位置全部相同，相同率分別為0.037、0.037、0.038、0.039、0.036、0.037、0.034、0.034、0.036 和0.038，表明醇溶蛋白的相似性非常低。

圖1 小麥醇溶蛋白序列比對圖

2.3 小麥醇溶蛋白序列的系統進化樹構建

對10條小麥醇溶蛋白序列構建系統進化樹分析結果如圖2所示。由圖2可以看出，根據小麥醇溶蛋白同源關系，10條小麥醇溶蛋白序列被聚類在4個組，γ-醇溶蛋白AAA34272.1、ACX37115.1和CAC94871.1的分布比較遠，在Group1和Group2兩組內；說明γ-醇溶蛋白同源性較遠；α/β-醇溶蛋白A27319、CAA10257.1和SCW25770.1的分布較近，在Group3組內，ω-醇溶蛋白 ACN62214.1、ATD83895.1、AGZ20254.1和AJG03093.1的分布較近，在Group4組內，說明α/β-和ω-醇溶蛋白的同源性較近。

圖2 小麥醇溶蛋白的系統進化樹圖

2.4 小麥醇溶蛋白序列的基序分析

對10條小麥醇溶蛋白序列基序分析結果如圖3所示。由圖3可以看出，基序Motif 1是最明顯的基序，10條小麥醇溶蛋白序列中都含有，除AJG03093.1在末尾之外，其余均在序列中間部位；基序Motif 2的含量較多，除AJG03093.1和ACN62214.1序列在中部，剩余8條序列位于開頭部分；10條醇溶蛋白序列都含有基序Motif 3，γ-醇溶蛋白（ACX37115.1、CAC94871.1和AAA34272.1） 和 α-醇 溶 蛋 白（SCW25770.1、CAA10257.1和A27319）在序列末尾，ω-醇溶蛋白（AJG03093.1、ACN62214.1、ATD83895.1和AGZ20254.1）在序列開頭。10條醇溶蛋白序列都含有基序Motif 4，但相對位置不集中，α/β-醇溶蛋白在前部，CAC94871.1、CAA10257.1和A27319沒有重疊。醇溶蛋白的保守域結構為Motif 1、Motif 2、Motif 3和Motif 4，可能在維持醇溶蛋白結構和功能方面有重要作用。

圖3 小麥醇溶蛋白的基序分析圖

2.5 小麥醇溶蛋白二級結構預測

利用PSIPRED version 3.3軟件在線預測10條醇溶蛋白序列的二級結構結果如圖4所示。圖4A為α/β-醇溶蛋白域結構和折疊域結構分析結果圖，在α/β-醇溶蛋白序列中，有淺色陰影的小方塊代表α-螺旋且位置和數量大致在相同的區域，表明其二級結構的α-螺旋含量較多且螺旋位置相似度高；其折疊域結構均為一高峰和一低峰，高峰在146左右，低峰在230左右，表明3條α/β-醇溶蛋白的空間結構是相似的。圖4B為γ-醇溶蛋白域結構和折疊域結構分析結果圖，在γ-醇溶蛋白中有淺色陰影的小方塊的數量比α/β-醇溶蛋白的數量有所降低，且相對位置有所偏移，表明其二級結構的α-螺旋含量較少；其折疊域結構表現為單峰，峰高在140～160，表明3條γ-醇溶蛋白的空間結構也是相似的。ω-醇溶蛋白域結構和折疊域結構分析結果如圖4C所示，在ω-醇溶蛋白中有淺色陰影的小方框的數量明顯減少，且位置均不相同，表明該蛋白中幾乎沒有α-螺旋的二級結構；該4條ω-醇溶蛋白的折疊域結構呈現出M型峰，表明4條ω-醇溶蛋白的結構相同但結構混亂無序。

圖4 醇溶蛋白的域結構和折疊域結構圖

3 結論

對10條氨基酸數目在300左右的醇溶蛋白分析結果表明：醇溶白質的平均疏水指數均為負值，均為親水性蛋白質；醇溶蛋白的不穩定系數均大于40，屬于不穩定蛋白質；多序列比對分析均含有P（Pro）和Q（Gln）醇溶蛋白，且重復出現率較高；對10條麥醇溶蛋白序列系統進化樹構建可以看出α/β-和ω-醇溶蛋白的同源性較近，與γ-醇溶蛋白同源性較遠；醇溶蛋白均含有基序Motif 1、Motif 2、Motif 3和Motif 4，這些域結構可能在維持麥醇溶蛋白結構和功能方面有重要作用；醇溶蛋白的二級結構由α-螺旋、β-折疊和無規則卷曲等結構元件組成，α/β-和γ-醇溶蛋白中α-螺旋含量較多，且結構有序，而ω-醇溶蛋白中α-螺旋含量較少，而結構混亂無序。