煙草半胱氨酸蛋白酶的基因和蛋白序列分析

殷雪艷　楊柳

摘 要：以ABW71226.1、BAA96501.1、ACB70409.1、AAW78660.1和ADV41672.1為材料，采用生物數據分析工具對煙草的半胱氨酸蛋白酶的基因和蛋白序列進行分析，分別以GSDS、MEME和SignalP 4.1工具對其基因結構、保守基序和信號肽進行檢測。結果顯示，NtCP-1和NtCP-2基因具有7個外顯子， NtCP-3和NtCP-4基因含有4個外顯子，NtCP-5基因具有3個外顯子，NtCP-1、NtCP-2和NtCP-5基因具有上游序列，NtCP-1、NtCP-2、NtCP-4和NtCP-5基因具有下游序列；檢測NtCP共有5個Motif，其核心保守基序區為Motif-1—Motif-2—Motif-4，且位于木瓜蛋白酶家族半胱氨酸蛋白酶結構域中，Motif-1和Motif-2含有半胱氨酸和谷氨酰胺；NtCP均屬于信號肽，NtCP-1和NtCP-2的信號區分布相同（1 ～ 22），NtCP-3和NtCP-4的信號區分布相同（1 ～ 20），NtCP-5的信號區為1 ～ 29。

關鍵詞：煙草； 半胱氨酸蛋白酶；基因序列；蛋白序列

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.09.001

Gene and Protein Sequence Analysis of Cysteine Protease in Tobacco

YIN Xueyan， YANG Liu， LUO Wanlin， ZHAO Shuang， LIU Biao， WANG Guangyun

（Liangshan Tobacco Company， Xichang，Sichuan 615000，China）

Abstract：ABW71226.1， BAA96501.1， ACB70409.1， AAW78660.1 and ADV41672.1 were as experimental materials， the tobacco cysteine protease genes and protein sequences were analyzed using biological data analysis tools including GSDS， MEME and SignalP 4.1. The results showed that NtCP-1 and NtCP-2 genes had 7 exons， NtCP-3 and NtCP-4 genes contained 4 exons， NtCP-5 gene had 3 exons， NtCP-1， NtCP-2 and NtCP-5 genes had the upstream sequence， NtCP-1， NtCP-2， NtCP-4 and NtCP-5 genes with the downstream sequence. 5 motifs were detected in NtCP， in which the core conserved motif region was Motif-1-Motif-2-Motif-4， and located in cysteine protease domain of the papain family， Motif-1 and Motif-2 contained cysteamine acid and glutamine. NtCP belonged to the signal peptide， the signal area of NtCP-1 and NtCP-2 were the same （1～22）； the signal regions of NtCP-3 and NtCP-4 were identical （1-20）， and the signal region of NtCP-5 was 1 ～ 29.

Key words： tobacco； cysteine protease； gene sequence； protein sequence

半胱氨酸蛋白酶是一種多功能的水解類蛋白酶，增加植物體抗性[1-4]，參與細胞衰老和死亡[5-6]，調節蛋白含量[7-8]；半胱氨酸蛋白酶的催化位點主要包括半胱氨酸和谷氨酰胺[9-10]；煙葉在烘烤期間，即變黃和定色期階段，促使煙葉變黃和大分子物質充分降解[11]，而該生理反應，均受到水分含量的影響，一定程度的水分脅迫，有利于縮短煙葉變黃時間，且促進大分子物質降解[12-13]。然而，半胱氨酸蛋白酶參與植物在水分脅迫時的生理反應，降解受損的蛋白[14]，即半胱氨酸蛋白酶可能參與煙葉在烘烤期間的生化反應。目前，關于深入研究半胱氨酸蛋白酶特性，主要采用生物信息學的方式進行分析，如輻射松、西瓜、水稻等[15-17]，而煙草主要從其蛋白序列的方面進行分析[18-19]，較為單一，為此筆者從半胱氨酸的基因和蛋白序列進行分析，為煙葉半胱氨酸蛋白酶的特性研究奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 篩選煙草半胱氨酸蛋白酶家族成員

運用NCBI[20]數據庫，檢索并提取煙草半胱氨酸蛋白酶的氨基酸序列，其登錄號分別為ABW71226.1、BAA96501.1、ACB70409.1、AAW78660.1

和ADV41672.1，并分別對其進行命名NtCP-1、NtCP-2、NtCP-3、NtCP-4和NtCP-5[21]。

1.2 試驗方法

采用GSDS繪圖工具[22]，依據堿基互補關系，構建煙草半胱氨酸蛋白酶的基因結構（外顯子、內含子、上游和下游）；為了比較分析NtCP蛋白的序列特征，采用MEME工具[23]進行分析，其序列長為6～50個氨基酸，E期望值（E-value）設定為10；使用SignalP 4.1工具[24]，分析NtCP的信號肽，其D-cutoff值以Matthews的相關系數進行測定。

2 結果與分析

2.1 煙草半胱氨酸蛋白酶的基因結構分析

通過分析NtCP的DNA序列和cDNA序列得出其基因結構，結果如圖1所示。NtCP的同源基因有不同的基因結構組成，基因的長度大約在1.5 kb至3.6 kb之間，NtCP基因序列的長度與外顯子/內含子的數目沒有直接相關關系，根據NtCP的基因結構，可以將其特征歸為三大類：第1類基因結構較為復雜，含有7個外顯子，且均具有上下游序列，其成員主要為NtCP-1和NtCP-2；第2類基因含有4個外顯子，主要成員為NtCP-3和NtCP-4，但NtCP-3無上下游序列，而NtCP-4僅含有下游序列；第3類基因的結構較為簡單，其外顯子數為3個，且具有上下游序列，該成員為NtCP-5。NtCP基因的結構長度有很大的區別，而且在不同的基因之間，外顯子的長度不一樣，即使是同一個基因，其所包含的外顯子長度也存在差異，NtCP-1和NtCP-2的DNA序列較大，外顯子分布較為分散，即翻譯時間相對較長，而NtCP-3、NtCP-4和NtCP-5的序列較小，且外顯子分布較為集中，有利于快速翻譯。

2.2 煙草半胱氨酸蛋白酶的保守基序分析

通過對NtCP各成員蛋白的保守基序進行分析，結果如圖2所示。在NtCP中檢測到4個保守基序，將其分別命名為Motif-1～4，主要的保守基序區有3個，它們的排列順序相對穩定，該保守基序的排列順序為Motif-1—Motif-2—Motif-4，核心保守基序區（Motif-1—Motif-2—Motif-4）在5個NtCP蛋白中都有存在，且NtCP-1、NtCP-2、NtCP-3和NtCP-4均含有Motif-3（NtCP-5除外），表明序列的保守性存在特異性；根據煙草半胱氨酸蛋白酶保守基序的分布，保守基序的核心區都集中在蛋白質的中間區域和C-端，而NtCP序列中所含有的木瓜蛋白酶家族半胱氨酸蛋白酶結構域存在的位置與核心保守基序相同，推斷NtCP的核心保守基序是Pept_C1；在NtCP序列中，僅Motif-1和Motif-2含有半胱氨酸（C）和谷氨酰胺（Q）。2.3 煙草半胱氨酸蛋白酶的信號肽分析

從信號肽、原始的剪切位點和綜合的剪切位點3個方面對煙草半胱氨酸蛋白酶的信號肽進行分析，結果表明（圖3），NtCP-1和NtCP-2在第13位丙氨酸的信號肽值（S）達到最大，分別為0.992和0.990，而原始的剪切位點（C）和綜合的剪切位點（Y）的最大分值均處于第23位甘氨酰胺，NtCP-1的值分別為0.609和0.758，NtCP-2的值為0.742和0.835，因此NtCP-1和NtCP-2均具有信號肽，剪切位點處于第22與23位氨基酸之間，信號肽處于第1 ～ 22位的氨基酸，該信號肽的均值分別為0.943和0.939；NtCP-3和NtCP-4的信號肽值于第12位丙氨酸處達到最大，分別為0.983和0.974，原始的剪切位點和綜合的剪切位點的最大分值均處于第21位苯丙氨酸，NtCP-3的值分別為0.868和0.892，NtCP-4的值為0.807和0.848，即NtCP-3和NtCP-4具有信號肽，剪切位點處于第20與21位氨基酸之間，信號肽處于第1 ～ 20位的氨基酸，該信號肽的均值分別為0.912和0.887；NtCP-5的信號肽值于第7位絲氨酸處達到最大（0.958），原始的剪切位點和綜合的剪切位點的最大分值均處于第30位精氨酸，其值分別為0.582和0.691，表明NtCP-5具有信號肽，剪切位點處于第29與30位氨基酸之間， 且信號肽處于第1 ～ 29位的氨基酸，該信號肽的均值為0.844。

3 結論與討論

通過基因結構分析，NtCP各成員具有的內含子、外顯子之間存在差異，主要存在三種類型，N-端和C-端的基因結構相對保守，而中間區域差異較大，進而為煙葉半胱氨酸蛋白酶的功能多樣性創造條件；NtCP具有核心保守基序區（Motif-1—Motif-2—Motif-4），Motif-1和Motif-2均含有半胱氨酸和谷氨酰胺，而半胱氨酸和谷氨酰胺為半胱氨酸蛋白酶的催化位點，可推斷NtCP催化位點為序列中間，且位于木瓜蛋白酶家族半胱氨酸蛋白酶結構域中，即使未與底物結合，仍可保持電離狀態，且可能屬于papain家族[9-10]；NtCP均含有信號肽，可分泌于特定區域，確保煙草半胱氨酸蛋白酶的功能多樣性[25]。

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