论文|大麻CBDA1基因的生物信息学分析

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楼主 2021-02-19 16:58:10
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2017年29期

作者:常丽,唐慧娟,李建军,黄思齐,陈安国,赵立宁*,李德芳*

单位:中国农业科学院麻类研究所

简介:常丽,助理研究员,博士,从事麻类生物技术研究。*通讯作者:赵立宁,研究员,硕士生导师,从事麻类生物技术研究;李德芳,研究员,博士生导师,从事一年生麻类遗传改良研究。

基金项目:国家麻类产业体系分子育种项目(CARS-19-E04)


大麻二酚(CBD)是大麻中的非成瘾性成分,能阻碍THC对人体神经系统影响,并具有治疗癫痫、抗痉挛、抗炎、抗焦虑等药理活性。高CBD含量的药用大麻是当今研究的一个热点。


大麻二酚酸合成酶(CBDAS)是CBD合成途径中的关键酶,最早在1996年由Taura等从墨西哥纤维大麻中分离得到,并于2007年通过逆转录获得其cDNA,其结构和功能至今还未报道。


目的

Objective

研究大麻二酚酸合成酶基因(CBDA1)编码的蛋白质序列所包含的生物学信息,以期为今后深入研究和利用CBDA合成酶提供重要的理论依据和研究基础,同时为大麻作物遗传改良提供参考。


方法

Method

以大麻品种Carmen的大麻二酚酸合成酶基因(CBDA1)(LOCUS KJ469374)为研究对象,对其完整的CDS序列编码的氨基酸序列、蛋白质理化性及功能结构域进行预测与分析。


利用生物信息学在线工具及软件分析大麻二酚酸合成酶(CBDAS)的理化性质、亲/疏水性、跨膜结构、信号肽、motif结构域及空间结构等。


结果

Result

1.CBDA1基因编码蛋白的氨基酸组成

CBDAS由544个氨基酸组成,分子式为C2834H4343N743O792S21,分子量为62168.42,理论等电点为8.81。


CBDAS包含20种常见氨基酸(表1)。该蛋白中存在二硫键,估计半衰期为30 h,CBDAS的不稳定指数Ⅱ为30.57,属于稳定蛋白。脂肪族氨基酸指数为88.31。


2.CBDA1基因编码蛋白的亲/疏水性分析

通过ProtScale在线工具对CBDAS进行亲/疏水性分析(图1)。预测结果显示CBDAS更偏向是一个亲水蛋白。


图1 CBDAS的亲/疏水性分析


由图1可知,在前29个氨基酸位置出现一个较强的疏水区域(score>1.5),且疏水区域较宽,在这个位置有可能出现一个跨膜结构。


3. CBDA1编码蛋白的跨膜结构分析

利用跨膜预测服务器TMHMM Server v.2.0对CBDAS进行分析(图2),该蛋白存在一个潜在的跨膜区(第1~28位氨基酸),综合判断该蛋白属于跨膜蛋白。


图2 CBDAS的跨膜结构分析


4.CBDA1基因编码蛋白的信号肽分析

通过Signal IP 4.1工具进行分析(图3),结果表明,CBDAS是一种分泌蛋白。

图3 CBDAS的信号肽位点分析


5.CBDA1基因编码蛋白的亚细胞定位

利用ProtComp v.9.0对CBDAS进行亚细胞定位分析,结果显示,该蛋白质位置的积分预测为细胞外(分泌),得分9.4,说明该蛋白主要在细胞外发挥其生物学功能。


6.CBDA1基因编码蛋白motif分析

利用PROSITE对CBDA1编码蛋白进行motif预测(图4),结果显示,CBDAS含有1个FAD-PCMH结合域,位于第77~251位氨基酸。推测CBDAS同THCAS一样属于氧化还原酶家族,FDA是CBDAS酶活性的必需辅因子。

图4 CBDAS的motif分析


7. CBDA1基因编码蛋白的保守功能域分析

采用SMART工具推测,CBDAS蛋白中只含有1个低复杂度区域(low complexity region,LCR):GGHFGGGGYG,位于第182~191位氨基酸。


8. CBDAS蛋白翻译后修饰位点分析

利用NetPhos 2.0和NetNGlyc 1.0对CBDAS进行预测,结果表明该蛋白存在23个磷酸化位点、6个N-糖基化位点(表2、3)。


9.CBDA1基因编码蛋白的二级、三级结构分析

利用GOR IV对CBDAS的二级结构进行预测(图5),结果显示,CBDAS蛋白由α-螺旋、β-折叠和无规卷曲组成,分别占整个肽链的21.88%、26.29%和51.84%。


图5 CBDAS的二级结构


利用SWISS-MODEL蛋白质三维结构建模工具构建的CBDAS的三维结构模型(图6)。CBDAS的三级结构与THCAS的同源性最高,为83.95%。


图6 CBDAS的三级结构模型


结论

Conclusion

通过多种生物信息学工具分析CBDA1基因编码的蛋白序列,发现该基因编码544个氨基酸,等电点为8.81,N端包含1个信号肽,而含有信号肽的蛋白质一般都是分泌到细胞外。


CBDAS的亚细胞定位结果也证实了该蛋白是一种稳定的分泌蛋白,主要在胞外发挥其生物学功能。THCAS的二级结构丰富,包含了α-螺旋、β-折叠和无规卷曲,含有许多蛋白质修饰及活化位点,如磷酸化位点、糖基化位点、FDA结合位点等,暗示该蛋白可能在体内受多种因子的调控,具有接受细胞信号并做出反应,实现其生物学功能的潜能。该研究结果可为今后深入研究CBDAS蛋白的结构特征和功能提供理论参考。



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论文投稿:ahnykx@aaas.org.cn

✄采编:小白   ✄排版:小同

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