蛹虫草（Cordyceps militaris）LaeA蛋白的生物信息学分析

张 剑，付亚娟

（1.廊坊职业技术学院，河北 廊坊 065000；2.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

生命与环境科学

蛹虫草（Cordyceps militaris）LaeA蛋白的生物信息学分析

张 剑1，付亚娟2

（1.廊坊职业技术学院，河北 廊坊 065000；2.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

采用ProtParam、ProtScale、SignalP 4.1、SOPMA、SWISS-MODEL等在线生物学软件对LaeA蛋白质的理化性质、信号肽、跨膜结构域、蛋白质二级和三级结构进行预测分析。结果表明，蛹虫草LaeA蛋白质是由20种295个氨基酸组成，不含信号肽、无跨膜结构域、稳定的亲水蛋白；LaeA蛋白二级结构主要由α-螺旋、无规则卷曲、伸展链和β-转角组成，其中α-螺旋和无规则卷曲是LaeA蛋白的主要二级结构。通过生物信息学预测分析首次获得了蛹虫草LaeA蛋白的理化性质及各级结构信息，为将来深入研究蛹虫草LaeA蛋白的生物学功能奠定了理论基础。

蛹虫草；LaeA；生物信息学；结构

0 引言

蛹虫草（Cordyceps militaris）别名北虫草、北冬虫夏草，隶属于子囊菌门、麦角菌科、虫草属，是一种名贵的药用真菌[1]。由于蛹虫草与冬虫夏草具有相似的药用和滋补功效，2014年蛹虫草被批准作为替代冬虫夏草的新保健食品[2]。蛹虫草含有多种天然生理活性物质，如虫草素、虫草酸、麦角固醇、虫草多糖等[3]。已有研究表明，这些生理活性成分具有广泛的药理作用，如抗菌、抗氧化、抗病毒、抗肿瘤、改善肝功能、免疫调节等[4-8]。

LaeA蛋白，作为一种全局性调控的转录因子，在丝状真菌的形态分化、次级代谢产物的合成中起着重要的调控作用[9-12]。2011年，Zheng等[13]报道了蛹虫草基因组中也存在LaeA基因。LaeA蛋白是否对蛹虫草活性成分合成有调控作用？LaeA基因的敲除或过表达是否会影响其活性成分的种类及含量？这些相关研究目前尚未见报道。因此，本文利用生物信息学软件对蛹虫草LaeA蛋白的理化性质、二级结构和三级结构进行分析，为其生物学功能的研究奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

蛹虫草（Cordyceps militaris）LaeA蛋白的氨基酸序列来源于NCBI(National Center for Biotechnology Information)；登录号（Accession number）：XP_0066 70602。

1.2 研究方法

1.2.1 LaeA蛋白的理化性质预测

利用在线生物信息学软件ProtParam对LaeA蛋白的理化性质进行预测；ProtScale分析LaeA蛋白疏水性或亲水性；SignalP 4.1预测LaeA蛋白信号肽；TMpred预测LaeA蛋白跨膜结构；利用Psort对LaeA蛋白的亚细胞定位进行分析。

1.2.2 LaeA蛋白的二级结构预测

通过在线生物信息学软件SOPMA对LaeA蛋白的二级结构进行预测，分析其二级结构组成元件。

1.2.3 LaeA蛋白的三级结构预测

将LaeA蛋白的氨基酸序列提交至Swiss-Model服务器，采用同源建模方法预测LaeA蛋白的三级结构。

2 结果与分析

2.1 LaeA蛋白的理化性质分析

蛹虫草LaeA蛋白由20种295个氨基酸组成，其中亮氨酸的（Leu）含量最高，达到8.8%；其次是谷氨酸（Glu）和丙氨酸（Ala），含量分别为7.8%和6.8%；不含硒氨酸（Sec）和吡咯赖氨酸（Pyl）。酸性氨基酸（Asp+Glu）总数为40，碱性氨基酸（Arg+Lys）总数为33；理论等电点pI为5.76；分子式为C1552H2343N417O434S18，相对分子质量分为34.36 kD；脂肪系数（Aliphatic index）为78.68；疏水性平均值（GRAVY）为-0.4。不稳定系数（Instability index）为38.52，表明该蛋白为稳定蛋白质。

2.2 LaeA蛋白跨膜结构域预测与分析

运用TMpred软件对蛹虫草LaeA蛋白的跨膜结构域进行预测（见图1）。从图1可以看出，LaeA蛋白未见明显跨膜结构域，说明该蛋白质不是跨膜蛋白。鉴于LaeA蛋白在丝状真菌中作为转录调控因子，推测蛹虫草LaeA蛋白作用的主要区域为细胞核。而亚细胞定位显示，蛹虫草LaeA蛋白主要定位于细胞质中，其概率值为65.2%，这说明细胞质中LaeA蛋白不需要跨膜转运，可以直接通过核孔复合体进入细胞核调控基因的转录。因此，综合LaeA蛋白跨膜结构域的预测及亚细胞定位结果分析，表明蛹虫草LaeA蛋白不存在跨膜结构域。

图1 蛹虫草LaeA蛋白跨膜结构域预测

2.3 LaeA蛋白信号肽预测

采用在线软件SignalP 4.1 Server对蛹虫草LaeA蛋白是否存在信号肽进行预测，其结果如图2所示。该图显示C-score、S-score和Y-score的最大值分别为0.109、0.116和0.104，而信号肽平均值、加权平均值分别为0.101和0.103。通过上述数据推测，蛹虫草LaeA蛋白无信号肽，属于非分泌蛋白。

图2 蛹虫草LaeA蛋白信号肽预测

2.4 LaeA蛋白的亲水性和疏水性预测

采用ProtScale软件对蛹虫草LaeA蛋白的亲水/疏水性进行预测，结果如图3所示。通过对287个氨基酸（5-291）综合分析，发现93个氨基酸（32.4%）分布在高分值区，总得分为49.159；而194个氨基酸（67.6%）分布在低分值区，总得分为-173.335。由此可见，蛹虫草LaeA蛋白存在大量亲水氨基酸残基，为亲水性蛋白质。

图3 蛹虫草LaeA蛋白亲水/疏水性预测

2.5 LaeA蛋白二级结构预测与分析

采用SOPMA在线软件对蛹虫草LaeA蛋白二级结构进行预测，其结果如图4所示。可以看出，蛹虫草LaeA蛋白的二级结构主要由α-螺旋、β-转角、伸展链和无规则卷曲4种结构元件构成，其中α-螺旋占 47.46%（140/295）、β-转角占 9.15%（27/295）、伸展链占17.63%（52/295）和无规则卷曲占25.76%（76/295）。由此可见，α-螺旋和无规则卷曲是LaeA蛋白主要的二级结构元件。

图4 蛹虫草LaeA蛋白二级结构预测

2.6 LaeA蛋白三级结构预测

采用在线软件SWISS-MODEL对蛹虫草LaeA蛋白进行同源建模，进行其三级结构的预测（见图5）。从图5可以看出，蛹虫草LaeA蛋白主要在α-螺旋、无规则卷曲、伸展链和β-转角二级结构基础上，进一步盘绕、折叠，依靠次级键的维系固定所形成的三级结构的蛋白质。

图5 蛹虫草LaeA蛋白三级结构预测

3 讨论

蛹虫草作为一种珍稀的食药用真菌，其保健功能和药用价值一直备受国内外学者的关注。蛹虫草活性成分的研究主要集中在虫草素、虫草酸、虫草多糖、虫草多肽、虫草凝集素、黄酮类化合物等[14]。目前，这些活性成分的生物学功能研究已取得了一定进展，但其合成代谢途径与调控机制尚不明确。LaeA蛋白已被证实为丝状真菌全局转录性调控因子，调控众多次级代谢产物的合成[15-18]。但LaeA是否参与调控蛹虫草活性物质的合成代谢途径，LaeA基因的敲除或过表达是否会激活蛹虫草某些次级代谢产物沉默基因簇的表达以产生新型活性物质，这些基本科学问题目前尚不明确，迫切需要开展相关的研究。本文首次以蛹虫草LaeA蛋白为研究对象，通过在线生物信息学软件对其理化性质、二级结构和三级结构等进行预测分析，发现蛹虫草LaeA是一种由20种295个氨基酸组成、无信号肽和跨膜结构域、稳定的亲水性蛋白质。另外，亚细胞定位显示，蛹虫草LaeA蛋白主要定位于细胞质，推测蛹虫草LaeA蛋白也可能作为转录调控因子，在细胞质中合成后直接通过核孔复合体进入细胞核对基因的转录进行调控。

4 结论

采用一系列在线生物学软件对蛹虫草LaeA蛋白的理化性质和各级结构进行预测分析，发现LaeA蛋白是由20种295个氨基酸组成，不含信号肽、无跨膜结构域、稳定的亲水蛋白质；α-螺旋和无规则卷曲是LaeA蛋白二级结构的主要组成元件。该项研究工作的开展，为将来深入解析蛹虫草LaeA基因的生物学功能奠定了理论基础，同时还为尝试敲除LaeA基因或过表达LaeA蛋白发掘蛹虫草新型活性物质提供了一条新的研究思路。

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Bioinformatics Analysis of LaeA Protein from Cordyceps militaris

ZHANG Jian1，FU Ya-juan2
（1.Langfang Polytechnic Institute，Langfang 065000，China；2.Langfang Teachers Universtity，Langfang 065000，China）

A series ofonline biological software,such as ProtParam，ProtScale，SignalP 4.1,SOPMA，and SWISS-MODEL，were used to analyze the physicochemical properties，signal peptide，transmembrane domain，secondary and tertiary structure of LaeA protein from Cordyceps militaris.The results showed that LaeA protein from C.militaris，which was composed of 295 amino acids，was predicted as a stable and hydrophilic protein without signal peptide and transmembrane domain.The secondary structure of LaeA protein was mainly composed of α-helix，randon coil，β-turn，and extended strand.Among these elements，α-helix and random coil were the principal ingredient in LaeA protein.Thus，the physicochemical propertiesand structural information ofLaeA protein were for the first time obtained by bioinformatics analysis，which would be beneficial for further studyon the biological function ofLaeAprotein in C.militaris.

Cordyceps militaris；LaeA；bioinformatics；structure

Q51

A

1674-3229（2017）03-0057-04

2017-05-19

2015年度河北省社会科学发展研究课题民生调研专项 （201501519）；2014河北省高校食药用菌应用技术研发中心项目(YF201411-321)

张剑（1981-），男，硕士，廊坊职业技术学院城建工程系讲师，研究方向：食用菌。