两歧双歧杆菌PRL2010细胞壁蛋白预测和功能分析

朱德全 王茗悦 张跃华 姚嘉 韩诚武 卢伟 栾积毅 邢蕾 刘向东

摘要[目的]運用生物信息學方法预测两歧双歧杆菌PRL2010锚定于细胞壁的蛋白和功能分析，为后续研究该菌与宿主相互作用的分子机制奠定基础。[方法]用Phobius和SignalP 4.0软件对两歧双歧杆菌PRL2010全基因组编码蛋白中细胞壁蛋白进行预测，同时采用COG（Cluster of Orthologous Groups of proteins）功能数据库对预测的细胞壁蛋白进行功能注释和聚类分析。[结果]两歧双歧杆菌PRL2010基因组1 706个编码蛋白中，28个蛋白含有细胞壁的锚定结构域。细胞壁蛋白功能分析结果显示，28个细胞壁蛋白中，21个蛋白没有功能注释，7个蛋白有功能注释，其中1个蛋白（exoalphasialidase）参与碳水化合物代谢与转运，2个蛋白（bacteriophage endolysin和cell wallassociated protein）参与细胞壁和细胞膜的生物合成，2个蛋白（hypothetical protein BBPR_0440和Subtilisin family peptidase）参与蛋白质翻译后修饰，1个蛋白（betanacetylhexosaminidase NagZ）参与细胞内运输、分泌和囊泡运输，1个蛋白（metallophosphoesterase）功能只是预测的。[结论]两歧双歧杆菌PRL2010的大多数细胞壁蛋白功能未知，还需要在以后的研究中进一步分析和注释。

关键词两歧双歧杆菌；基因组；细胞壁蛋白；功能

中图分类号S188+.2文献标识码A文章编号0517-6611（2017）09-0129-03

Prediction and Functional Analysis of Cell Wall Proteins of Bifidobacterium bifidum PRL2010

ZHU Dequan1， WANG Mingyue2， ZHANG Yuehua1， LIU Xiangdong3* 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 sequences of Bifidobacterium bifidum PRL2010 were used to predict the cell wall proteins and functional analysis， which will provide the basis for molecular mechanisms of interaction between bacteria with their host. [Method] Phobius and SignalP 4.0 softwares were used to analyze the cell wall proteins. Function of cell wall proteins was also analyzed by COG （Cluster of Orthologous Groups of proteins） database. [Result] There were 28 cell wall proteins which possessed cell wall motif from 1 706 proteins coded by B. bifidum PRL2010 genome.Function analysis revealed that the strain contains 21 cell wall proteins without function annonation.There were 7 proteins that having function annonation which involved in metabolism and transport of carbohydrate（1 protein： exoalphasialidase）， cell wall/membrane biosynthesis （2 proteins： bacteriophage endolysin and cell wallassociated protein）， posttranslational modification （2 proteins： hypothetical protein BBPR_0440 and Subtilisin family peptidase）， intracellular trafficking，secretion and vesicular transport（1 protein： betanacetylhexosaminidase NagZ），function prediction（1 protein： metallophosphoesterase）. [Conclusion] Function of most cell wall proteins of B. bifidum PRL2010 was unknown， which need to be researched and annotated in the future research.

Key wordsBifidobacterium bifidum；Genome；Cell wall proteins；Function

两岐双歧杆菌PRL2010最早分离于婴儿粪便中，具有抑制肠道致病菌黏附[1]，降低血清胆固醇[2]，调节宿主免疫[3]，调整肠道菌群[2]等益生作用，能够降解宿主衍生的黏蛋白[3-4]的独特特征。两岐双歧杆菌PRL2010作为一种革兰氏阳性菌，菌体最外含有一层较厚的细胞壁，主要是由肽聚糖和磷壁酸组成。在细胞壁的外周有时锚定有蛋白质，这些蛋白质通过特殊的结构锚定在细胞壁上，如含有LPxTG结构的区段、LysM、PG等区域，由于细胞壁蛋白处于菌体的外层，在适应外界环境和与宿主细胞之间发生相互作用方面，具有重要的作用。

Turroni[4]于2010年完成了该菌株全基因组测序和功能注释，该菌株1 791个基因，1 706个编码蛋白[4]。该菌株全基因组序列的完成，使该菌株的研究进入功能基因组学时代[5]。由于细胞壁蛋白具有特殊的序列结构，可以通过生物信息学的方法预测分析这类蛋白。如孙理云[6]采用生物信息学方法对2型猪链球菌98HAH33细胞壁结合蛋白进行了分析，结果有9种LPxTG结构分选酶底物、2种具有LysM域的蛋白。但目前针对双歧杆菌大规模地分析鉴定细胞壁蛋白鲜见报道。笔者用Phobius（http：//phobius.binf.ku.dk/）、SignalP 4.0、COG功能数据库分析两歧双歧杆菌PRL2010的细胞壁蛋白和功能[7]。

1材料与方法

1.1材料

美国国立生物技术信息中心（NCBI）GenBank公布的两歧双歧杆菌PRL2010的基因组编码的蛋白质序列，GenBank 的登录号是NC_014638.1。

1.2方法

利用Phobius（http：//phobius.binf.ku.dk/）鉴定出含有LPxTG基序的蛋白质，SignalP 4.0 软件（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP）对两岐双歧杆菌PRL2010基因组蛋白的信号肽进行分析。采用COG（http：//eggnog.embl.de/）功能数据库对分析得到的细胞壁蛋白进行功能注释，同时进行聚类分析。

2结果与分析

2.1两歧双歧杆菌PRL2010基因组细胞壁蛋白分析

该研究使用生物信息学方法对两歧双歧杆菌PRL2010基因组中的1 706個编码蛋白进行细胞壁蛋白分析，结果见表1。

两歧双歧杆菌PRL2010基因组1 706个编码蛋白中，28个蛋白含有细胞壁的锚定结构域，其中含有LPxTG锚定基序的蛋白有23个，含有LysM基序的蛋白有2个，含有NLPC_P60基序的蛋白有2个，含有PG锚定基序的蛋白有2个。

2.2两歧双歧杆菌PRL2010基因组细胞壁蛋白功能分析

28个细胞壁蛋白的功能分析结果表明，21个蛋白没有COG功能注释，没有具体的功能注释，这些蛋白的功能在以后还需要进一步的研究和分析；7个蛋白有功能注释，其中1个蛋白（exoalphasialidase）参与碳水化合物代谢与转运，该蛋白是一个酶，主要催化低聚糖、糖蛋白、糖脂、多聚乙酰神经氨糖酸的末端唾液酸残基α糖苷键的水解；2个蛋白（bacteriophage endolysin和cell wallassociated protein）参与细胞壁和细胞膜的生物合成；2个蛋白（hypothetical protein BBPR_0440和Subtilisin family peptidase）参与蛋白质翻译后修饰，1个蛋白（betanacetylhexosaminidase NagZ）参与细胞内运输、分泌和囊泡运输。还有1个蛋白（metallophosphoesterase）只是预测的功能。兩歧双歧杆菌PRL2010细胞壁蛋白功能聚类分析结果如图1所示。

3结论

细菌细胞壁蛋白是通过特殊的结构锚定在细胞壁上，由于细胞壁蛋白处于菌体的外层，在适应外界环境和与宿主细胞之间发生相互作用方面，具有重要的作用[6]。但由于该类蛋白处于较厚的细胞壁之间，具有疏水性区域，分离和鉴定相对较困难，传统的电泳方法不能完全鉴定这类蛋白[8-9]。越来越多的双歧杆菌菌株基因组测序的完成，使得以基因组序列为对象采用生物信息学方法分析细胞壁蛋白成为可能[5]。两歧双歧杆菌具有独特的黏蛋白降解特性和多种益生功能，该研究以两歧双歧杆菌的代表菌株PRL2010为对象，采用生物信息学方法对该菌的细胞壁蛋白进行预测和功能分析。分析发现1 706个编码蛋白中，28个蛋白含有细胞壁的锚定结构域。功能分析结果显示，28个细胞壁蛋白中，21个蛋白没有功能注释。该方法具有系统性、整体性等特点，与传统的蛋白质组学方法互为补充。大多数细胞壁蛋白功能未知，还需要在以后的研究中进一步分析和注释。

参考文献

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[2] ZANOTTI I，TURRONI F，PIEMONTESE A，et al.Evidence for cholesterollowering activity by Bifidobacterium bifidum PRL2010 through gut microbiota modulation[J].Applied microbiology biotechnology，2015，99（16）：6813-6829.

[3] TURRONI F，TAVERNITI V，RUASMADIEDO P，et al.Bifidobacterium bifidum PRL2010 modulates the host innate immune response [J].Applied and environmental microbiology，2014，80（2）：730-740.

[4] TURRONI F，BOTTACINI F，FORONI E，et al.Genome analysis of Bifidobacterium bifidum PRL2010 reveals metabolic pathways for hostderived glycan foraging [J].Proceedings of the national academy of sciences，2010，107（45）：19514-19519.

[5] LEE J H，O'SULLIVAN D J.Genomic insights into bifidobacteria[J].Microbiology and molecular biology reviews，2010，74（3）：378-416.

[6] 孫理云.用生物信息學方法预测2型猪链球菌98HAH33细胞壁结合蛋白[J].中国人兽共患病学报，2010，26（1）：72-75，80.

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[9] GILAD O，SVENSSON B，VIBORG A H，et al.The extracellular proteome of Bifidobacterium animalis subsp.lactis BB12 reveals proteins with putative roles in probiotic effects[J].Proteomics，2011，11（12）：2503-2514.