植物三萜皂苷代谢中糖基转移酶蛋白特性的生物信息学分析

赵志新, 王 通

(商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西 商洛 726000)

三萜皂苷是植物界中一类重要的植物次生代谢产物，具有多种生物活性，其可增强植物抗病、抗虫害的能力，同时还具有抗炎、抗肿瘤、抗凝血、抗病毒、降低胆固醇、保肝等作用[1]。目前人们已较为明确地认识了三萜皂苷的合成途径，第一步先通过甲羟戊酸等途径生成异戊二烯焦磷酸，再经过催化酶鲨烯环氧酶等的催化，生成2,3-氧化鲨烯环化酶，环化形成三萜类骨架，然后通过细胞色素p450、糖基转移酶、β-糖苷酶的修饰作用，最后形成糖苷化合物-三萜皂苷[2]。糖基转移酶作为三萜皂苷生物合成的最后一步，其机理及代谢调控机制已深入到分子水平，因此为在分子水平研究药用植物中三萜皂苷生物合成机理起到了重要作用[3]。

糖基转移酶(Glycosyltransferase, GT)对植物的生长发育过程和代谢工程应用方面起着重要作用，催化植物次生代谢物合成[4]。糖基转移酶具有多种生物活性, 包括参与植物次生代谢、脱毒反应、激素平衡、信号转导和防御反应等[5]。糖基转移酶在植物次生代谢过程晚期对底物选择灵活，当进化趋势变化或外界环境变化时，可使植物能够较快适应不同底物。最近研究显示，植物糖基转移酶有2个罗斯曼折叠(Rossmann fold，βαβ结构)，在N末端是受体结合区，C末端为活性供体结合区；同时该结构表现出C末端保守区的功能，以及特定氨基酸残基合成的结合糖供体的口袋结构[6]。

笔者研究利用生物信息学工具，首先搜集植物中已知的糖基转移酶序列，然后使用生物信息学工具对其理化性质及蛋白质结构功能进行分析，为以后研究糖基转移酶蛋白特性提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

查找植物糖基转移酶相关文献，并搜索NCBI数据库，下载已收录的植物糖基转移酶基因序列，共获得以下16种植物(见表1)。

1.2 方法

使用在线分析软件ProtParam分析糖基转移酶氨基酸序列的理化性质；SignalP4.1Server在线工具分析糖基转移酶序列中包含的信号肽；SOPMA在线工具分析糖基转移酶的二级结构(详细见表2)。

2 结果与分析

2.1 糖基转移酶氨基酸序列组成和理化性质分析

使用在线分析软件ProtParam分析16种植物糖基转移酶的氨基酸序列的组成和理化性质(见表3)。

表1 植物糖基转移酶GenBank登录号及所属科

表2 糖基转移酶蛋白特性分析工具及网址

表3 糖基转移酶氨基酸序列的组成和理化性质

续表3 糖基转移酶氨基酸序列的组成和理化性质

从表3中可以看出，这16种植物的基因全长均在1 000 bp到2 000 bp之间，变异较小；氨基酸数目大部分在450到500之间，除了蔷薇(337)、白苏子(447)、天山雪莲(515)和刺五加(608)；原子数除刺五加(9427)和蔷薇(5154)外，均为7 000左右；分子量除蔷薇外(36762.3)，都在50 000至67 000之间；滇牡丹pI值为7.22，石榴为6.55，其余植物均小于6，显示糖基转移酶氨基酸大多为酸性氨基酸；不稳定指数在40左右，桉树、北柴胡、滇牡丹、蒺藜苜蓿、毛白杨、七彩虹叶、蔷薇和红景天糖基转移酶属于稳定类蛋白，其余为不稳定类蛋白；所选植物的糖基转移酶序列中含量最丰富的氨基酸是Leu、Val、Ser、Gly、Glu，而Sec和Pyl则是所有植物序列中均不含有的氨基酸；脂肪指数除蒺藜苜蓿(101.63)和野葛(80.86)外，均在90左右。

2.2 糖基转移酶蛋白质信号肽的预测分析

使用SignalP4.1Server在线工具对糖基转移酶序列中包含的信号肽进行分析，图1和图2分别为红景天和三七的分析结果。

图1 红景天糖基转移酶的信号肽分析结果

图2 三七糖基转移酶的信号肽分析结果

图中每个位置的氨基酸对应一个S值，若S值较高表明该区域可能有信号肽；C值是剪切位点值，在剪切位点处C值最高；Y值是在不只有一个较高C值时，综合考虑S值和C值的一个参

数；粉色的虚横线为阈值线(Threshold value)，在该线上方表明具有显著性。由图1和图2可以看出，红景天的糖基转移酶序列40-50位置之间可能含有信号肽，而三七的糖基转移酶序列则不存在信号肽。同时从图1中可以看出，红景天的Y值比较低，但S值较高；而三七的S值和Y值均比较低，因此可以推测三七的糖基转移酶通过核糖体合成之后，生成的蛋白属于非分泌蛋白。除过红景天的糖基转移酶蛋白经核糖体生成的蛋白可能属于分泌蛋白外，其余14种植物信号肽分析结果到与三七相近，因此没有展示。

2.3 糖基转移酶二级结构预测分析

以天山雪莲为例，使用SOPMA在线工具分析糖基转移酶氨基酸序列的二级结构(图3)以及各元件比例结果(表3)。

图3天山雪莲GT氨基酸序列的二级结构预测

植物种类α-螺旋/%无规则卷曲/%延伸链/%β-转角/%白苏子39.8237.5816.556.04黑莓40.0938.3416.784.74红景天39.2939.2915.675.74花生40.8736.0916.657.39三七43.4337.9812.735.86石榴37.9340.4715.256.35天山雪莲40.7838.8314.955.44野葛43.3734.3216.425.89桉树40.4737.2615.856.42北柴胡41.4434.6716.077.82刺五加40.9542.1111.515.43滇牡丹39.2539.2516.235.26蒺藜苜蓿42.5835.4815.056.88毛白杨39.2539.2516.235.26七彩红竹41.7738.6113.715.91蔷薇37.6941.5416.024.75

由表3可知，在天山雪莲的二级结构中α-螺旋出现的概率最高为40.78%，无规则卷曲比例接近于α-螺旋为38.83%，延伸链较少为14.95%，β-转角最少为5.44%。同时可以看出，α-螺旋和无规则卷曲是糖基转移酶多肽链中大量存在的结构，高达79.61%。其余15种植物中的糖基转移酶二级结构具有类似的比例结构。

3 讨论

糖基转移酶催化的糖基化反应是三萜皂苷生物合成的最后一步,使得单糖与三萜皂苷苷元由糖苷键相连[10]。对植物的生长发育过程和代谢工程应用方面起着重要作用，催化植物次生代谢物合成[11]。本文通过使用生物信息学方法，对16种植物的糖基转移酶蛋白特性进行分析。结果表明，在氨基酸理化性质的分析中显示植物糖基转移酶含量最丰富的氨基酸为Leu、Gly、Val、Ser和Ala等，桉树、北柴胡、滇牡丹、蒺藜苜蓿、毛白杨、七彩红竹、蔷薇和红景天糖基转移酶属于稳定类蛋白，其余则属于不稳定类蛋白；蛋白质信号肽预测分析中显示红景天糖基转移酶可能含有信号肽，其余植物均不含有信号肽；糖基转移酶蛋白二级结构均由α-螺旋、无规则卷曲、延伸链和β-转角组成，且比例相似，α-螺旋和无规则卷曲为主要结构，占总的80%左右，延伸链次之，为15%左右，β-转角最少，为5%左右。

综合三种不同分析工具对16种植物中糖基转移酶的研究表明，这16种植物的糖基转移酶蛋白特性差别不大，显示糖基转移酶具有较高的保守性和稳定性。同时许多基因组数据表明，糖基转移酶基因在进化上不是独立的，而是与其他基因有较强的关联性；同时代谢途径中存在基因共调节和蛋白相互作用[12]。糖基转移酶基因进化主要依赖基因重复，特别是串联重复，而不是片段重复[13]。对蛋白特性的解析能够更清楚的揭示酶的保守结构域及作用机制，为进行糖基转移酶的基因工程改造和分子进化研究提供借鉴,本文章对糖基转移酶的生物信息学分析，也可为研究糖基转移酶酶学特征及三萜皂苷代谢提供帮助。