基于擬南芥的葫蘆苯丙氨酸解氨酶生物信息學分析

孫宇蛟，陳 欣，李潤天，王 媛，鄭 治

（1.東北農業大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱商業大學 能源與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

苯丙氨酸解氨酶（L-phenylalanine ammonia-lyase，PAL，EC.4.3.1.5）廣泛存在于真核生物和原核生物中。它是進入苯丙烷代謝途徑的第一個酶，其催化苯丙氨酸脫去氨基生成反式肉桂酸和氨氣[1]。對于模式植物擬南芥來說，苯丙氨酸解氨酶有4個基因編碼（At-PAL1-4），其中，對于PAL1（AT2G37040）與PAL2（AT3G53260）的研究較為廣泛。有學者認為，PAL2在抵御病菌侵染方面又起著關鍵的作用[2]。葫蘆（Lagenaria siceraria）是一種重要的蔬菜作物。因其可以作為其他葫蘆科作物的砧木，葫蘆栽培也影響著我國的農村經濟發展。本研究依托于生物信息學分析，以模式植物擬南芥PAL2基因作為參考，初步鑒定了葫蘆作物5個PAL基因，并對其轉錄翻譯后的蛋白質進行了理化性質分析及預測、系統進化樹的構建，為葫蘆作物PAL蛋白質研究、抗病抗逆性分析及分子輔助育種提供了參考及依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

擬南芥PAL基因序列來源于TAIR網站（http://www.arabidopsis.org/），將基因用于葫蘆科數據庫（http://cucurbitgenomics.org/）進行BLAST比對分析，e值為1e-10.

1.2 PAL基因各級結構分析及分子進化樹構建

采用在線軟件ProtParam預測PAL蛋白序列的一級結構，利用SOPMA在線軟件預測蛋白序列的二級結構，采用SWISS-MODEL預測蛋白質的三級結構，通過MEGA 7.0軟件對所有蛋白質編碼序列進行分子進化樹的構建。

表1 PAL基因一級結構分析

2 結果與分析

2.1 葫蘆PAL基因一級結構分析

經分析表1可以看出，擬南芥與葫蘆蛋白質等電點集中于6.0左右，氨基酸數量為634～717不等，不穩定指數集中于35左右，脂肪族指數為90左右。

2.2 PAL蛋白二級結構及親疏水性預測

利用SOPMA在線軟件預測PAL蛋白序列的二級結構。經分析得，各PAL蛋白含有50%左右的α-螺旋、30%的左右無規卷曲，含有較少的鏈延伸結構及β-轉角，與擬南芥蛋白質二級結構較為相似。

2.3 PAL蛋白質高級結構預測及分子進化樹構建

通過SWISS-MODEL，所有序列均通過同源建模獲得結構預測。其中，葫蘆5個PAL蛋白質結構較為相似。以Lsi-1為例圖1（ b），從圖1可以看出，其高級結構與擬南芥圖1（a）有一定的相似度。從分子進化樹結果可以看出圖1（c），Lsi1與Lsi4、Lsi2與Lsi5之間進化關系較近，與擬南芥At-PAL2進化關系較遠。

3 總結

因PAL基因為多拷貝、多家族基因，近年來，針對于同一物種，更多的PAL基因漸漸被發掘[3]。隨著生命科學和微機科學的迅速發展，生物信息學已經作為一門獨立學科，在發掘新基因、研究生物大分子功能方面，起著重要的作用。本研究依托生物信息學手段，在葫蘆作物中鑒定擬南芥同源PAL基因，并對其進行蛋白質功能的初步研究，為PAL基因的發掘、作物抗病性、品種改良及信號通路傳導方面的研究提供了新的思路。

圖1 PAL蛋白質高級結構預測及分子進化樹的構建