亚硝化单胞菌 is79a3 Sec途径分泌系统及底物蛋白分析

朱德全　王纯岩　温馨　张武　张跃华

摘要 [目的]分析亚硝化单胞菌is79a3 Sec途径分泌装置及底物蛋白。[方法]从NCBI中选取亚硝化单胞菌 is79a3菌株基因组注释的蛋白质氨基酸序列，采用Blast程序搜寻基因组中编码Sec途径分泌装置的蛋白，同时采用SignalP 4.0、LipoP、TMHMM 2.0软件分析该菌株基因组中Sec途径的底物蛋白，同时采用COG功能数据库进行功能分析。[结果]通过分析发现亚硝化单胞菌is79a3菌株编码Sec途径分泌装置有关的蛋白15个，包含Sec途径分泌系统中12个转运蛋白编码基因，1个信号肽识别蛋白编码基因和2个信号肽酶蛋白编码基因；Sec途径底物蛋白分析结果显示366个含有Sec途径Spase I类肽酶识别的信号肽，36个蛋白只含有Spase II类肽酶识别的信号肽。402个Sec途径底物蛋白功能分析结果显示：有272个蛋白功能不清楚，130个蛋白有具体的功能注释。[结论]亚硝化单胞菌is79a3 Sec途径分泌装置完整，该菌株Sec途径底物蛋白大多数没有功能注释和功能未知，在有功能注释的蛋白中，主要参与细胞壁/细胞膜的生物合成、蛋白质翻译后修饰/蛋白更替、无机离子转运代谢、能源产生与转换。

关键词 亚硝化单胞菌；分泌蛋白；分泌途径；功能分析

中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0153-02

Analysis of the Secretory System and Substrate Proteins of Sec Pathway of Nitrosomons is79a3

ZHU Dequan， WANG Chunyan*，WEN Xin et al

（College of Science， Jiamusi University， Jiamusi， Heilongjiang 154007）

Abstract [Objective]To study the secretory system and substrate proteins of sec pathway of Nitrosomons is79a3. [Method]Genome sequences of Nitrosomons is79a3 were used to predict to the secretory system of sec pathway by Blast software and then SignalP 4.0， LipoP， TMHMM 2.0 softwares were used to analyze the substrate proteins of sec pathway. Function of substrate proteins was also analyzed by COG （Cluster of Orthologous Groups of proteins） database.[Result] There were15 proteins of secretory system of sec pathway which included 12 transporters gene， 1 signal peptide recognition protein gene and two signal peptidase gene. Results of substrate proteins of sec pathway showed there were 366 proteins identified by type I Signal peptide enzyme （Spase I） and 36 proteins identified by type II signal peptide enzyme （Spase II）.Function analysis of 402 proteins showed there were 272 proteins without specific function and 130 proteins had concrete function.[Conclusion]The secretory system of sec pathway in genome of Nitrosomons is79a3 was complete and substrate proteins of sec pathway with annotation of COG functions were mainly involved in cell wall/membrane biogenesis， posttranslational modification， protein turnover， inorganic ion transport and metabolism，energy production and conversion.

Key words Nitrosomons；Secreted proteins；Secretion pathway；Function analysis

基金項目 黑龍江省教育厅科研项目（2016-KYYWF-0544）。

作者简介 朱德全（1980—），男，贵州遵义人，讲师，博士，从事微生物生物技术研究。

*通讯作者，副教授，从事地理科学研究。

收稿日期 2017-08-09

硝化细菌属于自养型细菌，包括2种完全不同的代谢群：亚硝酸菌属（Nitrosomonas）及硝酸菌属（Nitrobacter），它们包括形态互异的杆菌、球菌和螺旋菌[1]。氨氮是引起水体富营养化的物质之一，生物脱氮原理是通过硝化细菌将氨氮氧化为亚硝酸盐至硝酸盐，反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气。生物脱氮工艺因具有处理效果好，处理成本低，操作管理方便等优点而得到广泛应用，为水体中氮的去除提供了有效手段[2]。

亚硝化细菌在生物脱氮过程中控制着硝化作用的速度和进程。投加亚硝化菌作为提高生物脱氮效率的有效途径之一，已经在很多行业开始应用，然而硝化细菌大多数为无机化能自养菌，生长缓慢，对环境因子的变化极为敏感[3]。理解硝化细菌的各项生理功能和了解该菌株适应环境的机制显得尤为重要。细菌的分泌蛋白在介导细菌营养物质交换和与外界环境相互作用方面扮演重要的角色[4-5]。细菌蛋白质在细胞内合成后，通过不同的途徑跨膜分泌到细胞外。Sec途径是细菌蛋白分泌跨膜转运的主要途径，Sec途径的分泌装置主要由依靠Sec途径分泌有关转运蛋白亚基（SecA、SecB、SecD、SecE、SecG、SecM、SecY、YidC、YijC等）、信号肽识别受体和蛋白（Ffh、Ffs、FtsY）以及信号肽酶（Spase I和Spase Ⅱ）构成[6]。

亚硝化单胞菌 is79a3是一株能够生长在低氨浓度条件下的氨氧化细菌，该菌株全基因组测序于2011年完成，该菌株基因组大小为3.78 Mb，G+C含量為45.40%，基因数目为3 521，蛋白数目为3 349。该研究从NCBI中选取亚硝化单胞菌 is79a3基因组注释的蛋白质氨基酸序列，采用Blast方法搜寻该菌株基因组中编码Sec途径的分泌装置蛋白，然后用SignalP 4.0、LipoP、TMHMM 2.0软件分析该基因组中Sec途径的底物蛋白，同时采用COG功能数据库对预测的底物蛋白进行功能注释和聚类分析，从而为了解该菌株适应环境的分子机制以及为环境管理和环境保护提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 材料

下载美国国立生物技术信息中心（NCBI）GenBank公布的亚硝化单胞菌 is79a3基因组编码蛋白的氨基酸序列，GenBank的登录号是CP002876.1。

1.2 方法

1.2.1 亚硝化单胞菌is79a3 菌株Sec途径分泌装置分析。

下载is79a3基因组编码蛋白的氨基酸序列，采用Blast程序搜寻该菌株基因组中编码Sec途径分泌装置的蛋白，并统计分析。

1.2.2 亚硝化单胞菌is79a3 菌株Sec途径底物蛋白预测及功能分析。

Sec途径分泌蛋白包括具有Spase I肽酶识别的I型和Spase II肽酶识别的II型Sec分泌蛋白。利用SignalP 4.0 软件（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP）分析I型Sec途径的分泌信号肽，同时采用TMHMM 2.0 软件（http：//genome.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）对含有I型Sec途径信号肽的蛋白进行跨膜螺旋结构域分析。采用COG（http：//eggnog.embl.de/）功能数据库对分析得到的Sec途径底物蛋白质进行功能分析。

2 结果与分析

2.1 亚硝化单胞菌is79a3 菌株Sec途径分泌装置分析

该研究对亚硝化单胞菌is79a3菌株基因组中的Sec途径分泌装置进行预测分析，得到该菌株编码Sec途径分泌装置有关蛋白基因15个，包含Sec途径分泌系统中12个转运蛋白编码基因，1个信号肽识别蛋白编码基因（Signal recognition particledocking protein）和2个信号肽酶蛋白编码基因（Signal peptidase I和Lipoprotein signal peptidase），结果见表1。

2.2 亚硝化单胞菌is79a3 菌株Sec途径底物蛋白分析

根据分析结果表明Sec途径Spase I类肽酶识别的蛋白个数为366个，占整个基因组编码蛋白的10.9%，Spase Ⅱ 类肽酶识别的信号肽蛋白个数为110个，其中有74个含有Spase I类肽酶识别的信号肽，有36个蛋白只含有Spase Ⅱ 类肽酶识别的信号肽。402个Sec途径底物蛋白功能分析结果显示：有272个蛋白功能未知和没有COG功能注释，130个蛋白有具体的功能注释，这些有功能注释的蛋白主要参与细胞壁/细胞膜的生物合成、蛋白质翻译后修饰/蛋白更替、无机离子转运代谢、能源产生与转换，具体的Sec途径底物蛋白功能见图1。

3 讨论

高活性的氨氧化细菌是治理富营养化水体比较理想的技术选择之一。但是，氨氧化菌是一种自养菌，其生长所需的能量和还原力都源于氨氮氧化为亚硝酸氮的过程，其效率远低于通常的异养细菌。生长慢，发酵液细胞密度低是氨氧化菌大规模应用的瓶颈[7-8]。

分泌蛋白是微生物细胞内外营养物质交换和适应外界环境的物质基础。Sec途径是细菌中蛋白分泌跨膜转运的主要途径[9]。对亚硝化单胞菌is79a3菌株基因组Sec途径分泌装置和底物蛋白的预测和功能分析有助于了解该菌株适应外界环境的分子机制，也为该菌株的高效富集培养奠定基础。

该研究通过对亚硝化单胞菌is79a3菌株分泌装置和底物蛋白的分析，结果得到该菌株中编码Sec途径分泌装置的蛋白种类完善，为蛋白质的跨膜转运分泌提供物质基础。该菌株Sec途径底物蛋白的功能分析结果显示：大多数底物没有COG功能注释和蛋白功能不清楚，需在以后的研究中，对这些蛋白进行进一步的功能注释。另外在有具体功能注释的蛋白中，其主要与细胞壁/细胞膜的生物合成、蛋白质翻译后修饰/蛋白更替、无机离子转运代谢、能源产生与转换有关。该研究结果表明，is79a3菌株在适应外界环境过程中，通过Sec途径分泌的蛋白主要与菌体构成、能量转换和无机离子的转运功能有关。对硝化细菌Sec途径分泌装置蛋白和底物蛋白的分析，为以后分析该类细菌与外界环境相互作用的分子机制提供靶点。

参考文献

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