植物CBF1轉(zhuǎn)錄因子的生物信息學(xué)分析_圖文

1、第46卷第6期2010年6月林SCIENTIA業(yè)科SILVAE學(xué)SINICAEVol. 46，No. 6Jun. ，2010植物CBF1轉(zhuǎn)錄因子的生物信息學(xué)分析蔣摘要：*瑤陳其兵雅安625014）（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院利用生物信息學(xué)手段，對GenBank 中18種不同植物CBF1的氨基酸序列進(jìn)行比對及系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建，并對其氨基酸的組成、等電點、親水/疏水性、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)及功能域進(jìn)行分析預(yù)測。結(jié)果表明：18種不同植物CBF1的N 端存在富含精氨酸和賴氨酸殘基的核定位信號（NLS ）、與DNA 結(jié)合的AP2核心結(jié)構(gòu)域以及C 端的酸性氨基酸。構(gòu)建CBF1進(jìn)化樹，并對其分子進(jìn)化進(jìn)行探討。

2、CBF1的氨基酸主要是脂肪族類，都含有非極其蛋白等電點多數(shù)為酸性，且為不穩(wěn)定親水性蛋白。螺旋和無規(guī)則卷曲是18種不同植物CBF1性氨基酸Ala ，最大量的結(jié)構(gòu)元件，而轉(zhuǎn)角和延伸鏈則散布于整個蛋白質(zhì)中。不同植物CBF1蛋白的亞細(xì)胞定位存在一定的差異。三維結(jié)構(gòu)檢測表明此模型的結(jié)構(gòu)符合立體化學(xué)規(guī)則。關(guān)鍵詞：CBF1；生物信息學(xué)；分子進(jìn)化文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：10017488（2010）06004308中圖分類號：S718. 46Bioinformatic Analysis of CBF 1Transcription Factors from the PlantsJiang YaoChen Qibi

3、ngYa' an 625014）（Forestry College ，Sichuan Agricultural UniversityAbstract ：Multiple alignment of amino acid sequences of CRT-binding factor1（CBF1）from 18different plants wasconducted and a phylogenetic tree with these proteins was built. In addition ，the characters of the amino acid constitutio

4、ns ，isoelectric point ，hydrophilic /hydrophobic properties ，secondary structures ，tertiary structures and functional domains of these proteins were analyzed with the tools of bioinformatics software. The results showed that nuclear localization signals （NLS ）were rich in Argnine （Arg ）and Lysine （Ly

5、s ）residues at N-terminal of CBF1in 18different plants ，while containing AP2core domains which bind to DNA and acidic amino acids were located in C-terminal. Molecular evolution was analyzed by cladogram construction of CBF1. Amino acids of CBF1mainly belonged to aliphatic series. All CBF1s in 18dif

6、ferent plants contained non-polar amino acid Ala ，and most of the isoelectric points were acid ，the proteins of CBF1were unstable and hydrophilic. Constructions of -helixs and random coils in CBF1were dominant elements from 18different plants ，-turns and extended strains interspersed over the whole

7、proteins. Subcellular localizations of CBF1protein were different. A three-dimensional structure test validated that the modeling accorded with the stereochemistry. This study provides basic information for the research of gene structure and biological function ，and also provides evidence for the an

8、alysis of the function of interaction in different signal pathway and regulating mechanism. Key words ：CRT-binding factor ；bioinformatics ；molecular evolutionCBF （CRT-binding factor ）轉(zhuǎn)錄激活因子是一類受低溫特異誘導(dǎo)的反式作用因子，可以調(diào)控多個抗寒基因啟動子區(qū)上的順式作用元件CRT /DRE （C-repeat /dehydration responsive element ），促進(jìn)啟動子中含有這一調(diào)控元件的多個冷

9、誘導(dǎo)和脫水誘導(dǎo)基因的表達(dá)，從而激活植物體內(nèi)的多種耐逆機制。CBF 能感受上游傳遞的低溫信號并將信號向下游對于增強植物適應(yīng)和抵御低溫的能力具有重傳遞，收稿日期：20090518。2007）。ICE1（inducer of CBF 要作用（曹云飛等，expression 1）需要經(jīng)過冷誘導(dǎo)的構(gòu)型變化（可能是磷酸化和去磷酸化作用）調(diào)節(jié)活性，從而激活下游2003）。近來有研究基因的表達(dá)（Chinnusamy et al . ，1個R2R3類型的擬南芥（Arabidopsis thalina ，表明，At ）AtMYB15轉(zhuǎn)錄因子與ICE1相互作用，在冷脅迫負(fù)調(diào)控CBF 基因的表達(dá)（Agarwal et

10、 al . ，條件下，2005）。Chinnusamy 等（2007）認(rèn)為在冷馴化狀態(tài)“十一五”基金項目：國家科技支撐計劃項目（2008BADC2B02）；四川省重點攻關(guān)項目（2006YZGG 1007）。*陳其兵為通訊作者。44林業(yè)科學(xué)46卷下，通過泛素相關(guān)的蛋白水解對CBF1的誘導(dǎo)物ICE1負(fù)調(diào)控，而小泛素相關(guān)修飾物E3酶通過催化正調(diào)控ICE1。林茂等（2008）綜述了植物CBF 轉(zhuǎn)錄因子及其在基因工程中的應(yīng)用，認(rèn)為CBF 轉(zhuǎn)錄因子的典型特征是：N 端有核定位信號（nuclear location NLS ）區(qū)，C 端有酸性激活區(qū)，signal ，中間有與DNA 結(jié)合的AP2（APETAL

11、A2）結(jié)構(gòu)域。鐘克亞等（2006）認(rèn)為CBF1轉(zhuǎn)錄因子作用途徑為CBF 轉(zhuǎn)錄因子CRT /DRE 基序COR 基因（cold-regulated gene ）表并研究其抗寒的作用機制，為達(dá)植物抗寒性增加，提高植物的抗寒性、培育抗寒作物品種提供新方向。張麗麗等（2008）認(rèn)為COR 基因編碼的多肽具有兩親性螺旋結(jié)構(gòu)域，在低溫誘導(dǎo)下使得磷脂雙分子層向內(nèi)彎曲，來抵抗低溫引起細(xì)胞脫水造成的膜損傷。水稻（Oryzasativa ，Os ）OsDREB1B（dehydration responsive element binding factor ）在煙草（Nicotiana tabacum ，Nt ）中

12、過表達(dá)能夠提高轉(zhuǎn)基組成型OsDREB1B 可因植株的抗氧化性和抗凍性，誘導(dǎo)病原體相關(guān)的轉(zhuǎn)基因植株表達(dá)（Gutha et al. ，2008）。2007）、已經(jīng)從擬南芥（Novillo et al . ，玉米（Zea may ，Zm ）（Nguyen et al . ，2009）、油菜（Brassica napus ，Bn ）（莊靜等，2008）、小麥（Triticum aestivum ，Ta ）（Badawi et al . ，2008）和水稻（Ito et al . ，2006）等多種植物中分離得到相關(guān)的CBF1，其中Shahrokhabadi 等（2008）利用CODEHOP 軟件設(shè)計相

13、關(guān)引物，已鑒定出低溫脅迫相關(guān)的小麥同源DREB 基因，發(fā)現(xiàn)DRE 調(diào)控基因表達(dá)，能增強小麥的抗凍性。Zhu 等（2007）綜述了在植物低溫馴化下，冷應(yīng)答基因調(diào)控、代謝及RNA 剪切和二級結(jié)構(gòu)等方面的相互作用。但目前對不同植物CBF1的生物信息學(xué)分析未見報道，因此，利用一系列的生物信息學(xué)軟件分析了不同植物CBF1蛋白的性質(zhì)，并對其蛋白作對比，以期為進(jìn)一步開展CBF1的基因功能和蛋白質(zhì)的特性研究提供一定的理論基礎(chǔ)，也為后期深入研究基因的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能提供參考，為分析其在不同信號途徑相互作用中的功能和調(diào)控機制提供有力證據(jù)。整的cDNA （complemental DNA ）序列和編碼氨基酸序列進(jìn)行

14、數(shù)據(jù)搜索。收集得到的CBF 基因完整cDNA 和編碼氨基酸序列各18條，其中雙子葉植物13條，單子葉植物5條，單子葉植物全部為禾本科植物（表1）。1. 21. 2. 1方法CBF1基因編碼氨基酸序列的分析采用ExPaSy 的Prosite 數(shù)據(jù)庫（http ：www. expasy. org /prosite /）、NCBI 的Conserved Domains 數(shù)據(jù)庫（http ：www. ncbi. nlm. nih. gov /Structure /cdd /wrpsb. cgi ）（Marchler-Bauer et al . ，2004）和Mega3. 1（Kumar et al .

15、 ，2004）軟件，對CBF1基因編碼氨基酸序列進(jìn)行氨基酸保守位點、可變位點、簡約信息位點和單一多態(tài)位點分析。利用歐洲生物信息學(xué)研究所（European Bioinformatics Institute ，EBI ）在線的ClustalW2（Larkin et al . ，2007）程序，進(jìn)行氨基酸序列的多重比對，尋找氨基酸保守區(qū)，并用Boxshade 對其保守區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記。1. 2. 2CBF1基因系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建采用Mega3. 1軟件內(nèi)置的ClustalW 程序進(jìn)行蛋白序列多采用重比對（比對采用程序默認(rèn)的IUB 記分矩陣），Mega3. 1對ClustalW 產(chǎn)生的多重比對結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)

16、生樹。參數(shù)設(shè)置：采取最大簡約法（maximum MP ）構(gòu)建系統(tǒng)樹，parsimony ，采用隨機逐步比較的方式搜索最佳系統(tǒng)樹，對生成的系統(tǒng)發(fā)生樹進(jìn)行Bootstrap 校正，最終生成系統(tǒng)發(fā)生樹。1. 2. 3CBF1蛋白一級結(jié)構(gòu)理化特性分析利用ExPaSy 提供的Prot-Param 軟件和ProtScale 軟件分別進(jìn)行氨基酸殘基組成、蛋白質(zhì)分子質(zhì)量和親/疏水性的在線分析；最后利用antheprot 軟件（http ：antheprot-pbil. ibcp. fr /）（Barabasi et al . ，2003）分析理論等電點。1. 2. 4CBF1蛋白二級結(jié)構(gòu)分析利用ExPaSy

17、的工具中的SOPMA 軟件在線預(yù)測分析螺旋（-helix ，H ）、T ）、轉(zhuǎn)角（-turn ，無規(guī)則卷曲（random C ）以及延伸鏈（extended strand ，E ），coil ，然后利用網(wǎng)站ExPaSy 工具中的PSORT 軟件預(yù)測蛋白亞細(xì)胞定位。1. 2. 5CBF1蛋白三級結(jié)構(gòu)的分析三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的重點，主要有以下幾種方法：同源模建、折疊識別和從頭預(yù)測法（Biocarta ，2003）。利用ExPaSy 工具中的Swiss-Model 程序進(jìn)1998；Upinder et al . ，1999）。行同源模建（Grill et al . ，它運用結(jié)構(gòu)仿真模擬（

18、ProMod 程序）和能量最小化分析（GROMOS96程序）構(gòu)建目標(biāo)序列的結(jié)構(gòu)。11. 1材料與方法材料通過美國國立生物技術(shù)信息中心（NationalCenter for Biotechnology Information ，NCBI ：http ：www. ncbi. nlm. nih. gov /）的核酸和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫尋找相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料，對已經(jīng)克隆得到的CBF 基因完第6期蔣表1Tab. 1植物種Plant species瑤等：植物CBF1轉(zhuǎn)錄因子的生物信息學(xué)分析在不同植物中已克隆的CBF1轉(zhuǎn)錄因子家族成員基因名稱Name of gene AtCBF1BjDREB1b BnDREB1b E

19、gCBF1FaCBF1GmCBF1HbCBF1HrCBF1IlCBF1NtDREB1b OpCBF1PaCBF1StCBF1HvCBF1LpCBF OsDREB1b TaCBF1ZmDREB1b基因編碼蛋白序列Encoded proteinsNP_567721ABX00639AAD45623ABF70207ABV65907ACJ39208AAY43213ABS30426AAZ57434ACE73693ACJ70134BAD27123ABI74671AAL184170BAF36846AAX28958AAL37944NP_001148263基因序列Gene sequences NM_118681E

20、U136731AF084185DQ523829EU117214FJ393220AY960212EF502044DQ131497EU727155FJ491244AB121674DQ887515AF418204AB258401AY785894AF376136NM_00115479145The cloned CBF1family members in the different plants擬南芥Arabidopsis thaliana （At ）蕓苔Brassica juncea （Bj ）油菜Brassica napus （Bn ）藍(lán)桉Eucalyptus globulus （Eg ）草莓Fra

21、garia ananassa （Fa ）大豆Glycine max （Gm ）巴西橡膠樹Hevea brasiliensis （Hb ）沙棘Hippophae rhamnoides （Hr ）馬藺Iris lactea var . chinensis （Il ）煙草Nicotiana tabacum （Nt ）無苞芥Olimarabidopsis pumila （Op ）甜櫻桃Prunus avium （Pa ）土豆Solanum tuberosum （St ）大麥Hordeum vulgare （Hv ）黑麥草Lolium perenne （Lp ）水稻Oryza sativa （Os ）小

22、麥Triticum aestivum （Ta ）玉米Zea may （Zm ）22. 1結(jié)果與分析CBF1編碼氨基酸的序列比對利用EBI 在線的ClustalW2進(jìn)行氨基酸序列多LpCBF ，OsCBF1，ZmDREB1b 和HvCBF1單子葉植物用標(biāo)記；第2類AtCBF1，的CBF1轉(zhuǎn)錄因子，NtDREB1b ，StCBF1和GmCBF1等雙子葉植物的CBF1轉(zhuǎn)錄因子，用標(biāo)記。由此可以看出，這與植雙子葉植物的分類大體一致，表明基因物中單子葉、和植物的進(jìn)化過程密切相關(guān)。第2類又可分為2大類：第大類由GmCBF1，F(xiàn)aCBF1，PaCBF1和HbCBF1組成；第大類分為4個小類：BnDREB1b

23、 ，BjDREB1b ，HrCBF1EgCBF1為C 類，StCBF1為D 類。類，CBF1在植物中的進(jìn)化優(yōu)先于單、雙子葉的分化時間，這種分類上的沖突是在植物中普遍存在的。有研究表明，基因的倍增和重組、水平的基因轉(zhuǎn)移等都是這種差異存在的原因。2. 3CBF1基因編碼氨基酸組成特性通過Clustal W2在線軟件對CBF1基因編碼氨然后利用Mega3. 1軟件得到18基酸序列多重比較，個CBF1基因編碼氨基酸的保守位點參數(shù)，其中?？勺兾稽c235個，簡約信息位點154守位點47個，個，單一多態(tài)位點78個。所含氨基酸的種類主要是脂肪族類，中性氨基酸占大部分，而可變區(qū)與保守區(qū)的中性氨基酸的變化不具有方

24、向性。用Protparam 預(yù)測CBF1編碼蛋白的理化性質(zhì)，圖2為不同植物CBF1氨基酸的組成及理化特性的比較，由此可以看出，不同植物CBF1的氨基酸分子質(zhì)量較為一致，其氨基酸序列中主要氨基酸均含有和NtDREB1b 為A 類，AtCBF1，OpCBF1和IlCBF1為B結(jié)果如圖1所示。根據(jù)比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這重比對，18個CBF1轉(zhuǎn)錄因子在蛋白質(zhì)氨基酸序列N 端保守性較強，具有典型的CBF1轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)特征，包含有PKK /RPAGRXKFXETRHP 和FADSAW 特征序列，可能起激活作用，而且推測這2個序列可能參與CBF 蛋白的轉(zhuǎn)運，前一個特征序列位于蛋白質(zhì)N R ）和賴氨酸（lysine

25、 ，K ）的端，富含精氨酸（arginine ，堿性結(jié)構(gòu)，而后一個特征序列位于AP2核心結(jié)合域，屬于RAYD 基元的保守結(jié)構(gòu)域。因此，這2個特征序列可能參與對CRT /DRE 調(diào)控元件的識別，調(diào)控下游基因表達(dá)。保守結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)中能夠折疊成特定三維結(jié)構(gòu)的一段區(qū)域，其結(jié)構(gòu)亞單位稱為基序（motif ），組并蘊含成這些基序的氨基酸區(qū)段行使特異的功能，各自的遺傳進(jìn)化信息。CBF1轉(zhuǎn)錄因子N 端含有高從而構(gòu)成了植物特異性轉(zhuǎn)錄度保守的AP2結(jié)構(gòu)域，因子大家族。在ExPaSy 的ScanProsite 軟件獲得不同植物保守結(jié)構(gòu)域，但其AP2核心結(jié)構(gòu)域的位置存在差異，以AtCBF1保守結(jié)構(gòu)域（圖2）為例。2

26、. 2CBF1轉(zhuǎn)錄因子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建利用Mega3. 1軟件構(gòu)建CBF1轉(zhuǎn)錄因子的系統(tǒng)發(fā)生樹（圖3）。由圖3可知，系統(tǒng)發(fā)生樹中的CBF1轉(zhuǎn)錄因子主要聚為2類：第1類包括TaCBF1，46林業(yè)科學(xué)46 卷圖118種植物CBF1類轉(zhuǎn)錄因子氨基酸序列比對的結(jié)果Fig. 1Multiple alignment result of CBF1transcription factors in 18different plantsAP2和NLS 用上劃線表示，AP2區(qū)中YRG 和RAYD 2個保守區(qū)分別用方框表示。C 端保守域用相同和保守的氨基酸殘基用黑色和灰色分別表示，respectively ；the

27、AP2domain and NLS are also indicated. 最后3個方框表示。Identical and conserved amino acid residues are indicated in black and gray ，Two boxes show the location of the YRG and RAYD elements in the AP2domain ，respectively. The last three boxes are the conserved domain in C terminal.第6期蔣瑤等：植物CBF1 轉(zhuǎn)錄因子的生物信息學(xué)分析4

28、7圖2Fig. 2AtCBF1保守域AtCBF1conserved domain in Arabidopsis thalianaInstability indexAtCBF1BjDREB1b BnDREB1b EgCBF1FaCBF1GmCBF1HbCBF1HrCBF1IlCBF1NtDREB1b OpCBF1PaCBF1StCBF1HvCBF1LpCBF OsDREB1b TaCBF1ZmDREB1b23829. 623835. 023848. 024608. 623427. 526248. 525501. 723694. 023818. 023962. 923829. 626876. 42

29、5122. 023137. 822536. 523237. 923336. 027964. 0Ala （10. 8%）Ala （11. 7%）Ala （11. 7%）Ala （12. 1%）Ala （10. 4%）Ala （13. 7%）Ala （12. 6%）Ala （11. 8%）Ala （10. 8%）Ala （12. 1%）Ala （10. 8%）Ser （10. 8%）Ser （13. 3%）Ala （14. 7%）Ala （15. 7%）Ala （20. 6%）Ala （12. 7%）Ala （15. 7%）Glu （8. 5%）Glu （9. 8%）Glu （9. 8%）Ser

30、（10. 7%）Arg （10. 0%）Glu （9. 0%）Ser （10. 4%）Glu （9. 0%）Glu （8. 5%）Glu （10. 2%）Glu （8. 5%）Ala （9. 2%）Ala （11. 1%）Gly （10. 1%）Val （8. 6%）Arg （10. 1%）Arg （10. 4%）Pro （11. 2%）Thr （7. 5%）Leu （7. 9%）Leu （7. 9%）Leu （9. 8%）Glu （8. 1%）Arg （8. 5%）Glu （9. 1%）Arg （7. 6%）Thr （7. 5%）Ser （7. 0%）Thr （7. 5%）Arg （9. 2

31、%）Glu （11. 1%）Pro （8. 8%）Arg （8. 1%）Gly （10. 1%）Ser （9. 4%）Gly （10. 9%）Gly （7. 0%）Ser （7. 0%）Ser （7. 0%）Glu （7. 1%）Gly （8. 1%）Val （7. 7%）Leu （7. 8%）Pro （7. 6%）Gly （7. 0%）Arg （6. 0%）Gly （7. 0%）Leu （7. 9%）Arg （6. 2%）Arg （8. 3%）Ser （8. 1%）Glu （7. 8%）Leu （8. 0%）Arg （9. 7%）14. 6/12.214. 5/12.614. 5/13.01

32、3. 8/14.315. 7/17.114. 6/15.414. 3/13.914. 2/16.614. 1/12.216. 2/13.414. 6/12.214. 2/16.315. 1/11.112. 9/12.010. 0/13.313. 8/12.411. 8/14.711. 6/13.149. 00I 49. 42I 49. 57I 50. 63I 54. 15I 60. 44I 65. 63I 53. 41I 48. 57I 49. 39I 49. 00I 54. 27I 69. 51I 60. 01I 47. 99I 59. 31I 47. 24I 71. 99IAla ：丙氨酸

33、Alanine ；Glu ：谷氨酸Glutamic acid ；Thr ：蘇氨酸Threonine ；Gly ：甘氨酸Glycine ；Leu ：亮氨酸Leucine ；Ser ：絲氨酸Serine ；Val ：纈氨酸Valine ；Arg ：精氨酸Arginine ；Pro ：脯氨酸Proline. I ：不穩(wěn)定Instability.48 林 業(yè) 科 學(xué) 46 卷 之間 的 主 要 為 兩 性 氨 基 酸。 結(jié) 果 表 明， 同 植 物 不 CBF1 蛋白的氨基酸序列中親水性、 疏水性氨基酸都 均勻分布在整個肽 鏈 中， 水 性 氨 基 酸 多 于 疏 水 性 親 氨基酸， 并且沒有明顯的

34、疏水區(qū)域， 因此可認(rèn)為這些 大 蛋白是親水 性 蛋 白。 結(jié) 果 提 示， 約 在 At 中 67 91 68 區(qū)域具有很強的親水性， 區(qū)域具有較強的疏水 性（ 圖 4 ） ， 預(yù) 測 其 他 植 物 可 知， 同 植 物 的 CBF 并 不 蛋白親水 / 疏水性有一定差異， 是由于植物行使生理 功能存在差異。 轉(zhuǎn)角和延伸鏈則散 布 于 整 個 蛋 白 質(zhì) 中。 統(tǒng) 計 表 AtCBF1 由 23. 00% 的 螺 旋、 49% 的 延 伸 15. 明， 2. 鏈、 35% 的 轉(zhuǎn) 角 和 59. 15% 的 無 規(guī) 則 卷 曲 組 12. 成， OsDREB1b 由 35. 78% 的 螺旋

35、、 84% 的 而 2. 延伸鏈、 75% 的 轉(zhuǎn)角和 48. 62% 的無規(guī)則卷曲 不 組成。由此可以看 出， 同 植 物 間 的 二 級 結(jié) 構(gòu) 在 空 間上發(fā)生了一定的變異。 用 PSORT 分 析 不 同 植 物 CBF1 編 碼 蛋 白 的 亞 AtCBF1 蛋白最終定位于細(xì) 細(xì)胞定位。由圖 7 可知， 胞質(zhì)的可能 性 為 45. 0% ， 位 于 微 體 （ 過 氧 化 物 酶 定 從 體） 的可能 性 為 35. 3% ， 而 推 斷 該 蛋 白 可 能 定 位 于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。通過 PSORT 預(yù)測可知， 大多數(shù)植物的 蛋白亞細(xì)胞定位于 細(xì) 胞 核 中， 數(shù) 植 物 的 蛋 白 亞

36、 細(xì) 少 唯有少數(shù)蛋白定位于微體中， 如 胞定位于細(xì)胞質(zhì)中， OsDREB1b 蛋 白。 由 此 可 以 看 出， 同 植 物 蛋 白 的 不 亞細(xì)胞定位存在差 異， 由 于 植 物 合 成 部 位 及 行 使 是 生理功能所需的反 應(yīng) 環(huán) 境 存 在 差 異， 是 由 于 其 蛋 也 理 為 白的結(jié)構(gòu)、 化 性 質(zhì) 和 功 能 不 同 所 造 成 的 差 異， 圖4 Fig. 4 AtCBF1 全序列親水 / 疏水性圖譜 Predicted hydrophilicity / hydrophobicity graph for CBF1 in Arabidopsis thaliana 此， 探討

37、 這 些 植 物 蛋 白 的 亞 細(xì) 胞 定 位 具 有 重 大 的 意義。 2. 7 CBF1 基因編碼氨基酸的三維結(jié)構(gòu)分析 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)， 除了共價的肽鍵和二硫鍵， 還靠大量的極其復(fù) 雜 的 弱 次 級 鍵 共 同 作 用， 際 上 實 折疊過程是一個正確途徑和錯誤途徑相互競爭的過 程。利用 Swiss-model 建模服務(wù)器進(jìn)行 CBF1 結(jié)構(gòu)的 三維建模， 測 不 同 植 物 CBF1 蛋 白 的 三 維 結(jié) 構(gòu)。 預(yù) 圖 8 為 AtCBF1 的三級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果， 可看到 螺 旋、 轉(zhuǎn)角和 折 疊 片， 此 可 看 到 其 蛋 白 折 疊 由 空間結(jié)構(gòu)構(gòu)象的變化。 2. 6 CB

38、F1 基 因 編 碼 氨 基 酸 的 二 級 結(jié) 構(gòu) 及 亞 細(xì) 胞 蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是多肽鏈中相鄰多個氨基酸 定位分析 T 殘基形 成 的 局 部 肽 鏈 空 間 結(jié) 構(gòu)， H （ -helix ） 、 由 （ -turn） 、 （ extended strand ） 和 無 規(guī) 則 C （ random E coil） 等幾種二級結(jié) 構(gòu) 元 件 組 成， 有 特 定 的 生 物 學(xué) 具 E 活性。當(dāng)H > 45% ， < 5% 時為 all-alpha 型； 當(dāng) H < 5% ， > 45% 時為 all-beta 型； 當(dāng) H > 30% ， > 20

39、% E E 時為 alpha-beta 型。 用 SOPMA 預(yù)測不同植 物 CBF1 氨基酸序列的二 級 結(jié) 構(gòu)， 中 顯 示 螺 旋 和 無 規(guī) 其 則卷 曲 是 不 同 植 物 CBF1 最 大 量 的 結(jié) 構(gòu) 元 件， 而 3 結(jié)論與討論 利用 生 物 信 息 學(xué) 方 法 指 導(dǎo) 試 驗 工 作 的 設(shè) 計， 可 親水性 Hydrophilicity 疏水性 Hydrophobicity 其他 Other 圖5 Fig. 5 AtCBF1 特征基序的親水 / 疏水性圖譜 Predicted hydrophilicity / hydrophobicity graph for specif

40、ic motifs of CBF1 in Arabidopsis thaliana 第6期 蔣 瑤等： 植物 CBF1 轉(zhuǎn)錄因子的生物信息學(xué)分析 49 螺旋 -helix 延伸鏈 Extended strand 轉(zhuǎn)角 -turn 不規(guī)則卷曲 Random coil 圖6 Fig. 6 AtCBF1（ a） 和 OsDREB1b（ b） 二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果 Predicted secondary structure for CBF1 in Arabidopsis thaliana （ a） and OsDREB1b in Oryza sativa （ b） 圖7 Fig. 7 擬南芥 CBF1

41、的亞細(xì)胞定位結(jié)果 Subcellular localization prediction of CBF1 protein in Arabidopsis thaliana 在 C 端存在 1 個可能起激活作用的酸性結(jié)構(gòu) 域， 在 N 端有 1 個 可 能 作 為 NLS 的 富 含 R 和 K 的 堿 性 結(jié) 提高植物對非生物脅迫的抵抗能力。 構(gòu)域， 唐寧等 （ 2008 ） 利 用 一 系 列 生 物 信 息 學(xué) 軟 件 分 Th） 析鹽芥（ Thellungiella salsuginea， ThHKT1 的一級 和二級結(jié)構(gòu)， 與 擬 南 芥 ThHKT1 基 因 序 列 進(jìn) 行 比 并 對

42、， 從而對該基因的理化性質(zhì)、 結(jié)構(gòu)特征和功能等進(jìn) 圖8 Fig. 8 擬南芥 CBF1 的三維結(jié)構(gòu) Tertiary structure of CBF1 in Arabidopsis thaliana 研究結(jié)果表明， 其基因編碼蛋白分子 行預(yù)測和分析， 屬于穩(wěn)定蛋白； 二級結(jié)構(gòu) 式為：C 2631 H 4064 N 636 O 707 S 21 ， 18 主要是以無規(guī)則卷曲為 主。 本 研 究 結(jié) 果 表 明， 種 不同植 物 CBF1 蛋 白 為 不 穩(wěn) 定 蛋 白， 中 螺 旋 其 和無規(guī)則卷曲成 為 最 大 量 的 結(jié) 構(gòu) 元 件， 轉(zhuǎn) 角 而 和延伸鏈則散布于整個蛋白質(zhì)中。 結(jié)構(gòu) 決

43、定 功 能， 通 過 對 基 因 和 氨 基 酸 序 列 的 僅 了解并不能充分反 映 蛋 白 質(zhì) 的 功 能， 蛋 白 質(zhì) 空 間 故 2004 ） 。 結(jié)構(gòu)的 研 究 越 來 越 得 到 重 視 （ Sergiy et al.， AtCBF1 三維空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)象具有 本研究分析得知， 3 其中該區(qū)有 1 個 螺旋、 個反 向 平 一定的特點， 行的 折 疊 和 2 個 轉(zhuǎn) 角。 CBF1 的 氨 基 酸 主 要是脂肪族類， 都含 有 非 極 性 氨 基 酸 Ala， 蛋 白 等 其 電點多數(shù)為酸性。 因 此， 用 生 物 信 息 學(xué) 方 法 對 已 應(yīng) 知序列進(jìn)行比對、 析， 斷 和 預(yù)

44、測 其 結(jié) 構(gòu) 和 功 能， 分 推 為選擇合適的試驗 方 法 提 供 理 論 參 考， 這 些 基 因 為 的功能研究提供更全面的理論依據(jù)。 參 曹云飛，張海娜，肖 避免試驗的盲目性和不必要的重復(fù)。在基因研究的 相關(guān)文獻(xiàn)報道中， 用 生 物 信 息 學(xué) 進(jìn) 行 前 期 或 后 續(xù) 利 分析越來越普遍。 CBF1 轉(zhuǎn)錄因 子 是 屬 于 AP2 轉(zhuǎn) 錄 因 子 家 族， 是 植物中廣泛存在的 一 類 轉(zhuǎn) 錄 因 子， 類 轉(zhuǎn) 錄 因 子 主 這 要參與植物的細(xì)胞 周 期、 長 發(fā) 育 以 及 生 物 和 非 生 生 物脅迫相關(guān)基因的 表 達(dá) 調(diào) 控， 們 都 含 有 非 常 保 守 它 的 D

45、NA 結(jié)合區(qū)。CBF 轉(zhuǎn)錄因子能夠識別 CRT / DRE 元件， 調(diào)控多個與同類性狀有關(guān)的基因表達(dá)， 在提高 植物對環(huán)境脅迫耐 性 的 分 子 育 種 中， 良 或 增 強 一 改 個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的 調(diào) 控 能 力， 使 植 物 的 耐 逆 性 得 可 到較為綜合 的 改 良 （ 張 晗 等，2006 ） 。 本 研 究 對 18 種 不 同 植 物 CBF1 的 生 物 信 息 學(xué) 分 析 預(yù) 測 可 得， CBF1 轉(zhuǎn)錄因子主要由 DNA 結(jié)合域、 NLS、 轉(zhuǎn)錄 調(diào) 控 結(jié)構(gòu)域 3 個功能域 組 成， 植 物 體 內(nèi) 起 著 激 活 或 抑 在 制基因表 達(dá) 的 功 能， 合 CBF1

46、 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 特 征。 符 CBF1 結(jié) 構(gòu) 域 有 YRG 和 RAYD 2 個 保 守 的 結(jié) 構(gòu) 域。 考 文 獻(xiàn) 凱. 2007 . CBF 轉(zhuǎn) 錄 因 子 介 導(dǎo) 的 植 物 低 溫 信 號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進(jìn)展. 棉花學(xué)報，19 （4 ） ： 304 311. 50 林 林 業(yè) 科 學(xué) 46 卷 茂，閆海霞，眭順照，等. 2008 . 植物 CBF 轉(zhuǎn)錄因子及其在基因 工程中的應(yīng)用. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，39 （1 ） ： 21 25. DREB1 / CBF-type transcription factors involved in cold-responsive gene expre

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