胡麻SUC基因家族的鉴定与生物信息学分析

齐燕妮 李闻娟 王利民 赵 玮 党 照 谢亚萍 张建平

摘要：利用多个物种的SUC基因蛋白序列在胡麻基因组内进行BlastP分析，通过Pfam确认结构域，获得胡麻SUC基因家族成员，并进行基因结构分析;对蛋白分子量、等电点、信号肽、跨膜结构域、糖基化修饰位点、亚细胞定位、Motif及二级结构进行预测。结果鉴定得到12个胡麻SUC基因家族成员，大部分成员含有4个以上的外显子，10个以上跨膜结构域，并获4个特征性Motif。进化树分析显示，胡麻SUC分别属于SUT1、SUT2和SUT4家族。

关键词：胡麻;SUC基因家族;基因结构分析;系统进化分析

中图分类号：S565.9       文献标志码：A       文章编号：1001-1463（2019）08-0035-06

Abstract：In this study， multiple SUC protein sequences were analyzed in flax genome using BlastP， and the structural domain was confirmed by Pfam. The members of the SUC gene family were obtained. The analysis of gene structure， prediction of protein molecular weight， isoelectric point， signal peptide， transmembrane domain， glycation modification site， subcellular localization， Motif and secondary structure were carried out on the family menbers. The results showed that 12 members of flax SUC gene family were identified， containing 4 characteristic motifs， most of which had more than 4 exons， more than 10 transmembrane domains. The evolutionary tree analysis showed that flax SUC belonged to SUT1， SUT2 and SUT4 families， respectively.

Key words：Flax; SUC gene family; Gene structure analysis; Phylogeny analysis

胡麻（Linum usitatissimum L.）即油用亚麻，属于亚麻科亚麻属，主要种植在中国、加拿大、印度[1 - 2 ]。胡麻籽含油率在40%以上，油脂中含有丰富的不饱和脂肪酸，特别是α-亚麻酸含量在55%左右，是人类从膳食中摄取α-亚麻酸的最好来源之一[1，3 ]。α-亚麻酸具有多种营养和保健功能，包括增强大脑健康和提高智力、预防和治疗高血压、抗癌、预防心脑血管疾病、降低血液胆固醇等[4 - 5 ]。由于人们对健康的日益重视，亚麻籽已经被广泛应用于奶制品、肉制品、烤制品等多种功能性食品[6 ]。

蔗糖是植物的主要光合作用产物，大部分蔗糖需运输到其他组织中代谢或储存。蔗糖可通过胞间连丝在细胞间短距离运输，然而长距离的运输则需要通过韧皮部，需要SWEET （Sugars Will Eventually be Exported Transporters）蛋白和蔗糖转运蛋白（sucrose transporters or carriers，SUT/SUC）共同来完 成[7 - 8 ]。蔗糖作为脂肪酸合成的主要底物，由蔗糖转运蛋白运输到种子细胞中[9 ]，因此蔗糖转运蛋白的转运效率直接影响种子含油率。蔗糖转运蛋白属于MFS（major facilitator superfamily），通常含有12个跨膜结构域[10 ]。基于系统发育分析，SUT家族分为5个亚家族，其中为SUT1为双子叶植物特有，SUT3和SUT5为单子叶植物所特有，SUT2和SUT4为单子叶和双子叶植物共有[11 ]。

近年来，多个植物基因组数据相继被公布，这为基因家族的研究奠定了基础。目前已经从拟南芥（Arabidopsis thaliana）[12 ]、葡萄（Vitis vinifera L.）[13 ]、苹果[14 ]、水稻（Oryza sativa）[15 ] 等基因组中鉴定到SUT基因家族，但对胡麻SUT的研究相对较少。我们利用生物信息学方法鉴定了胡麻基因组中SUT基因家族成员，并分析其基因结构、蛋白理化性质、保守基序及系统进化，以期为克隆和深入研究胡麻SUC基因家族各成员的生物学功能奠定基础。

1   材料与方法

1.1   胡麻SUC基因家族鉴定

从拟南芥数据库TAIR中获得9个拟南芥SUC基因的蛋白序列，从NCBI获得油菜、大豆、水稻、烟草、玉米、葡萄等物种的SUC蛋白序列（登录号分别为AEG89530.1、NP_001335852.1、AAF90181.1、BAO47334.1、BAA83501.1、AAL32020.1）。使用BlastP，将这些序列与胡麻全基因组蛋白数据库进行比对，E值小于等于1E-5，并用Pfam对比对得到的蛋白序列进行确认（SUC蛋白结构域Pfam号为PF13347.1）。

1.2   SUC基因家族的基因及蛋白序列分析

利用IBS在线工具绘制基因结構图，采用Expasy分析蛋白质的分子量、等电点，通过SignalP-5.0预测胡麻SUC蛋白的信号肽，采用SOSUI进行跨膜结构预测，用NetNGlyc 1.0对糖基化修饰位点在线预测。使用Plant-mPloc进行蛋白的亚细胞定位预测，利用MEME对胡麻SUC蛋白保守基序进行分析。

1.3   SUC基因家族的系统进化分析

利用MEGA6.0软件对胡麻和拟南芥的SUC氨基酸序列进行多重比对，将比对结果用Maximun Likelihood法构建系统进化树，Bootstrap校验值为1 000次。

1.4   SUC蛋白的二级结构分析

利用SOPMA对胡麻SUC蛋白的次级结构进行分析。

2   结果与分析

2.1   胡麻SUC基因家族的鉴定及理化性质分析

以拟南芥9个SUC基因和油菜、大豆、水稻、烟草、玉米、葡萄SUC基因的氨基酸序列对胡麻基因组进行BLASTP分析，获得28条期望值小于1E-5的候选序列。用Pfam对这些序列进行结构域注释，发现有12条序列含有SUC家族的保守结构域MFS_2，将这些基因分别命名为LuSUC1～ LuSUC12（表1）。

比较分析12个胡麻SUC蛋白序列，结构显示不同的蛋白差异较大。蛋白长度为252（LuSUC8）～952 aa（LuSUC4），分子量为26 863.30（LuSUC8）～101 956.83 Da（LuSUC4），等电点为5.99（LuSUC10）～9.42（LuSUC3），糖基化位点为0（LuSUC7、LuSUC8）～5（LuSUC10），跨膜结构域为6（LuSUC7、LuSUC8）～13（LuSUC5）。对上述序列进行信号肽预测，发现所有序列均无信号肽。亚细胞定位预测结果显示，所有基因都定位在细胞膜，其中LuSUC3和LuSUC4除细胞膜外还定位在叶绿体、细胞质、细胞核中。在胡麻的12个SUC蛋白二级结构中，α- 螺旋所占比例最大（41.58%），其次为无规卷曲（37.48%）、β-折疊（16.62%）、β- 转角所占比例最小（4.78%）（表2）。

2.2   胡麻SUC基因家族的基因结构及motif预测

为进一步分析胡麻SUC基因家族的功能，需根据其DNA序列和CDS序列分析其基因结构（表1，图1）。除LuSUC6和LuSUC7只含有1个外显子，没有内含子外，其余10个基因均含有数量不等的外显子和内含子，外显子数量为2 （LuSUC8）～13（LuSUC9），内含子数量为1（LuSUC8）～12（LuSUC9）。Motif预测结果表明，Motif1、Motif2、Motif6和Motif 7为SUC家族的特征性、保守性Motif。这12个基因共预测到22个Motif，除LuSUC8只含有4个特征性Motif外，其余11个基因都含有Motif11。另外，除LuSUC7和LuSUC8外，有10个基因还含有Motif3、Motif4、Motif5、Motif8、Motif9和Motif15，还有9个基因含有Motif10，说明Motif11、Motif4、Motif5、Motif8、Motif9、Motif15和Motif10的功能也相当保守（图2）。

2.3   胡麻SUC基因家族的系统进化分析

采用MEGA6.0中的ClustalW，将胡麻和模式植物拟南芥SUC基因的氨基酸序列进行序列比对（图3），并用比对后的结果采用Maximun Likelihood法构建系统进化树（图4）。序列比对结果显示，植物SUC蛋白存在许多保守的氨基酸位点，这些位点所在的区域应为该蛋白的保守功能区。从进化树上可以看出，胡麻SUT基因分为3个家族，LuSUC1～LuSUC8与拟南芥的AtSUC1、AtSUC2、AtSUC5、AtSUC6、AtSUC7、AtSUC8、AtSUC9聚在一起，属于SUT1家族;LuSUC9和LuSUC10与属于SUT2家族的拟南芥AtSUC3聚为一支;而LuSUC11和LuSUC12与属于SUT4家族的拟南芥AtSUC4聚为一支。

3   结论与讨论

从胡麻基因组鉴定得到12个SUC基因家族成员，并对其进行了生物信息学分析。12个SUC基因外显子数量为2～13，编码蛋白长度为252～952 aa，含有6～13个跨膜结构域，4个特征性Motif。系统进化树分析显示，胡麻SUC分别属于SUT1、SUT2和SUT4家族，与双子叶植物拟南芥分类结果相同[12 ]。

总体来看，胡麻SUC基因家族成员之间虽然具有比较保守的功能结构域，但蛋白长度及序列、基因结构、跨膜结构域数量等也存在明显的差异，需进行更全面的研究，才能深入解析每个家族成员的功能。

参考文献：

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（本文责编：陈    珩）