小麥ＹＡＢＢＹ基因的生物信息學(xué)分析

趙　偉　宿紅艷　王　磊

摘要[目的]對(duì)小麥YABBY基因家族成員TaYAB1與TaCRC基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析。[方法]利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)這2個(gè)基因的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，同時(shí)構(gòu)建其同源基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹。[結(jié)果]TaYAB1與TaCRC蛋白為不穩(wěn)定親水性蛋白，其蛋白結(jié)構(gòu)中無(wú)跨膜區(qū)，屬于非分泌性蛋白。TaYAB1與TaCRC蛋白亞細(xì)胞定位于細(xì)胞核，有多種二級(jí)結(jié)構(gòu)形式。功能分析預(yù)測(cè)這2個(gè)蛋白具有轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。[結(jié)論]在小麥背腹極性建立中，小麥TaYAB1與TaCRC基因可能在轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞小麥；YABBY基因家族；TaYAB1基因；TaCRC基因；生物信息學(xué)

中圖分類號(hào) S512.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1007-5739（2009）07-0139-03

Bioinformatics Analysis of YABBY genes from wheat

ZHAO Wei 1SU Hong-yan 2WANG Lei 2

（1Institute of Agricultural Information Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081；

2 College of Life Sciences Yantai Normal University Yantai Shandong）

Abstract[Objective] This study aimed to conduct bioinformatics analysis of TaYAB1 and TaCRC in YABBY gene family from wheat. [Method] The physicochemical characteristics，structures and functions of TaYAB1 and TaCRC were predicted and analyzed with software tools and database. Meanwhile，the phylogenetic tree of TaYAB1 and TaCRC and related YABBY proteins was constructed. [Result] TaYAB1 and TaCRC are unstable hydrophilic proteins without transmembrane domains. They are located in nuclear and display several secondary structures. Function analysis predicted TaYAB1 and TaCRC have functions in transcription and transcription regulation.[Conclusion] TaYAB1 and TaCRC may play important roles in transcription and transcription regulation during the establishment of abaxial-adaxial polarity in wheat.

KeywordsWheat；YABBY gene family；TaYAB1；TaCRC；Bioinformatics

在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，從早期的胚胎發(fā)育至后期側(cè)生器官的分化，極性的建立起著重要的作用。隨著遺傳學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)植物極性建立分子機(jī)理的認(rèn)識(shí)也深入到分子水平。背腹極性是植物側(cè)生器官發(fā)育過(guò)程中建立的主要極性之一，YABBY基因家族在控制背腹極性建立中發(fā)揮重要作[1]。在擬南芥中已分離出6個(gè)YAB 基因家族成員：CRC、FIL（YAB1）、YAB2、YAB3、INNER NO OUTER（INO） 和YAB5[2-4]。此外，人們陸續(xù)從金魚草、水稻等植物中分離出YABBY基因家族成員，這表明YABBY基因廣泛地存在于雙子葉植物與單子葉植物中[5-7]。

雖然在雙子葉植物擬南芥中關(guān)于背腹極性建立的分子機(jī)理取得了重要進(jìn)展，然而在單子葉植物尤其是禾本科植物中所獲得的涉及極性建立的突變體較少，因此關(guān)于單子葉植物的背腹極性建立的模式研究較少。小麥?zhǔn)侵饕暮瘫究浦参镏?，同時(shí)也是重要的糧食作物，研究其極性建立具有非常重要的意義。為了研究小麥側(cè)生器官極性建立的分子機(jī)理，筆者已經(jīng)分別從小麥的小穗及心皮中分離出2個(gè)具有YABBY基因保守區(qū)域特征的基因成員Ta YAB1與TaCRC，并在GenBank中注冊(cè)。Ta YAB1基因的cDNA全長(zhǎng)為1 216 bp，編碼297個(gè)氨基酸。TaCRC基因的cDNA全長(zhǎng)為1 103 bp，編碼199個(gè)氨基酸。這2個(gè)基因編碼的氨基酸序列在N端具有zinc finger-like結(jié)構(gòu)域，在C端具有YABBY結(jié)構(gòu)域，是YABBY基因家族成員[8]。本研究以TaYAB1與TaCRC為研究對(duì)象，利用生物信息學(xué)方法，對(duì)這2個(gè)基因編碼的蛋白結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)構(gòu)建其同源基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹，從而為揭示小麥側(cè)生器官背腹極性建立的分子機(jī)理提供重要資料。

1材料與方法

1.1材料

以從小麥的小穗及心皮中分離出的YABBY基因家族成員TaYAB1（AY330228）與TaCRC（AF545436）作為研究對(duì)象。

1.2TaYAB1與TaCRC蛋白基本理化性質(zhì)分析

利用Expasy軟件包中的ProtParam工具（http：//www.expasy.ch/tools/protparam.htmL）[9]，進(jìn)行蛋白的氨基酸組成、分子質(zhì)量、等電點(diǎn)及疏水性等理化性質(zhì)的分析。

1.3TaYAB1與TaCRC蛋白結(jié)構(gòu)分析

利用Swiss model workspace（http：//swissmodel.expasy.org/workspace/）[10]網(wǎng)站工具預(yù)測(cè)TaYAB1與TaCRC蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

1.4TaYAB1與TaCRC蛋白亞細(xì)胞定位與功能分析

利用CBS（http：//www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/）網(wǎng)站工具，對(duì)TaYAB1與TaCRC蛋白進(jìn)行跨膜分析預(yù)測(cè)。利用（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）網(wǎng)站工具預(yù)測(cè)蛋白的信號(hào)肽。利用PSORT（http：//psort.nibb.ac.jp/form².htmL）網(wǎng)站工具進(jìn)行TaYAB1與TaCRC蛋白亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)[11]。利用CBS（http：//www.cbs.dtu.dk/services/Pro-tFun/）網(wǎng)站工具，預(yù)測(cè)蛋白的功能。

1.5TaYAB1與TaCRC蛋白序列系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建

利用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的Blast 軟件將目的基因編碼的氨基酸序列與GenBank 中的氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)和相似性搜索，進(jìn)而利用DNA man軟件進(jìn)行多序列同源性比對(duì)和聚類分析。聚類分析包括以下序列：小麥的TaYAB1（AAQ93323）和TaCRC（AF545436）；水稻的OsYAB1（AAC72848），OsY-AB2（AAS07125）、OsYAB3（NP_922256）、OsYAB5（CAD-41530）和DL（BAD06552）；擬南芥的FIL（AAD33715）、YAB2 （AAD33716）、YAB3（AAD33717），YAB5（NM_179750）、INO （AAF23754）和CRC（AAD30526）；金魚草的GRAM（AAS-10177）和PROL（AAS10178）。

2結(jié)果與分析

2.1TaYAB1與TaCRC蛋白基本理化性質(zhì)分析

TaYAB1蛋白分析結(jié)果：分子質(zhì)量為31 431.5，等電點(diǎn)為8.62；負(fù)電荷殘基總數(shù)（Asp + Glu）為20，正電荷殘基總數(shù)（Arg + Lys）為23，分子式為C1379H2168N404O417S11，原子總數(shù)為4 379，不穩(wěn)定系數(shù)為60.23，該蛋白分類為不穩(wěn)定蛋白。脂肪系數(shù)為71.08，Grand average of hydropathicity（GRAVY） 親水性評(píng)估為-0.358。該蛋白中相對(duì)含量比較多的氨基酸為Ala（35個(gè)，占11.8%），含量比較少的氨基酸是Trp（1個(gè)，占0.3%）。

TaCRC蛋白分析結(jié)果：分子質(zhì)量為22365.7，等電點(diǎn)為9.24；負(fù)電荷殘基總數(shù)（Asp + Glu）為18，正電荷殘基總數(shù)（Arg+Lys）為26，分子式為C977H1548N290O283S15，原子總數(shù)為3 113，不穩(wěn)定系數(shù)為54.62，該蛋白分類為不穩(wěn)定蛋白，脂肪系數(shù)為62.71，親水性評(píng)估為-0.585。該蛋白中相對(duì)含量比較多的氨基酸Pro（31個(gè)，占13.1%），含量比較少的氨基酸是Trp（2個(gè)，占1.0%）。

2.2TaYAB1與TaCRC蛋白結(jié)構(gòu)分析

TaYAB1蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)，有95個(gè)α-螺旋，占32%，38個(gè)伸展片段，占13%，164個(gè)自由卷曲，占55%。TaCRC蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)，有73個(gè)α-螺旋，占37%，22個(gè)伸展片段，占11%，104個(gè)自由卷曲，占52%。結(jié)果表明，TaYAB1和TaCRC蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和比例基本一致（見表1）。

2.3TaYAB1與TaCRC蛋白亞細(xì)胞定位與功能分析預(yù)測(cè)

TaYAB1與TaCRC蛋白跨膜區(qū)及蛋白的信號(hào)肽分析結(jié)果表明，TaYAB1與TaCRC蛋白不是膜蛋白，無(wú)跨膜區(qū)，屬于非分泌性蛋白。TaYAB1與TaCRC蛋白亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果表明，TaYAB1蛋白定位于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、胞外、線粒體、分泌系統(tǒng)囊泡及細(xì)胞骨架的概率分別是47.8%、17.4%、13.0%、 13.0 %、4.3 %及4.3 %。TaCRC蛋白定位于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體、分泌系統(tǒng)囊泡及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的概率分別是56.5 %、17.4 %、17.4 %、4.3 %及4.3 %。由此可知，TaYAB1與TaCRC蛋白定位于細(xì)胞核的概率最大（見表2）。同時(shí)蛋白的親水特性表明該蛋白是親水性蛋白，從而推斷這2個(gè)蛋白可能都定位于細(xì)胞核內(nèi)。

TaYAB1與TaCRC蛋白的功能預(yù)測(cè)結(jié)果表明，TaYAB1蛋白具有轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的概率分別為0.145和0.075，其概率高于其他功能（見表3）。TaCRC蛋白具有轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的概率分別為0.225和0.347，其概率高于其他功能（見表3）。由此說(shuō)明TaYAB1與TaCRC可能具有轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。

2.4TaYAB1與TaCRC蛋白系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建

用NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的Blast 軟件將目的基因編碼的氨基酸序列與GenBank 中的氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)和相似性搜索，進(jìn)而利用DNAman 軟件包中的MASED 軟件，對(duì)來(lái)自擬南芥、金魚草、水稻和小麥的15 個(gè)YAB家族成員，采用Neighbor-Joining 的方法進(jìn)行進(jìn)化樹分析，發(fā)現(xiàn)TaYAB1與水稻的OsYAB3與OsYAB5聚為同一分支，TaCRC與水稻的DL、擬南芥的CRC聚為同一分支（見圖1）。

3結(jié)論與討論

生物信息學(xué)是生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)以及應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科相互交叉而形成的一門新興學(xué)科，將計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)應(yīng)用于生物大分子信息的獲取、加工、存儲(chǔ)、分類、檢索與分析，以達(dá)到了解這些生物大分子信息的生物學(xué)意義。分別從小麥的小穗及心皮中分離出分離出2個(gè)具有YABBY基因保守區(qū)域特征的基因成員TaYAB1與TaCRC，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析。利用expasy中的ProtParam工具進(jìn)行蛋白的氨基酸組成、分子質(zhì)量、等電點(diǎn)及疏水性等理化性質(zhì)的分析。TaYAB1與TaCRC蛋白分類均為不穩(wěn)定蛋白，TaYAB1蛋白中相對(duì)含量比較多的氨基酸為Ala，含量比較少的氨基酸是Trp。TaCRC蛋白中相對(duì)含量比較多的氨基酸為Pro，含量比較少的氨基酸是Trp。通常根據(jù)蛋白的GRAVY 值來(lái)預(yù)測(cè)蛋白疏水性，GRAVY值的范圍在2與-2之間，正值表明此蛋白為疏水蛋白，負(fù)值表明為親水蛋白。TaYAB1與TaCRC的GRAVY值均為負(fù)值，表明這2個(gè)蛋白為親水性蛋白。TaYAB1與TaCRC蛋白跨膜分析預(yù)測(cè)分析結(jié)果表明，TaYAB1與TaCRC蛋白不是膜蛋白，無(wú)跨膜區(qū)，屬于非分泌性蛋白。亞細(xì)胞定位分析結(jié)果可知TaYAB1與TaCRC蛋白定位于細(xì)胞核的可能性最大。同時(shí)蛋白的親水特性表明該蛋白是親水性蛋白，從而推斷這2個(gè)蛋白可能都定位于細(xì)胞核內(nèi)。TaYAB1與TaCRC蛋白具有轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的可能性高于其他功能。因此，在小麥背腹極性建立中，小麥TaYAB1與TaCRC基因蛋白很可能在轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮重要作用。此外，作為小麥YABBY基因家族的2個(gè)不同成員，TaYAB1與TaCRC基因編碼的蛋白在理化性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)等方面具有一些差別。在系統(tǒng)進(jìn)化樹分析中，TaYAB1與水稻的OsYAB3與OsYAB5聚為同一分支，TaCRC與水稻的DL、擬南芥的CRC和金魚草的AmCRC聚為同一分支。這些結(jié)果表明這2個(gè)家族成員在背腹極性建立的過(guò)程中起著不同的作用。研究結(jié)果為深入了解YABBY基因家族成員的結(jié)構(gòu)及其進(jìn)一步的功能研究奠定了基礎(chǔ)，有助于闡明YABBY基因家族在側(cè)生器官極性建立中的作用。

4參考文獻(xiàn)

[1] BOWMAN J L，ESHED Y，BAUM S F. Establishment of polarity in angiosperm lateral organs[J]. Trends in Genetics，2002（18）：134-141.

[2] SIEGFRIED K R，EAHED Y，BAUM S F，et al. Members of the YABBY gene family specify abaxial cell fate in Arabidopsis[J]. Development，1999（126）：4117-4128.

[3] BOWMAN J L，SMYTH D R.CRABS CLAW，a gene that regulates carpel and nectary development in Arabidopsis，encodes a novel protein with zinc finger and helix-loop-helix domains[J]. Development，1999（126）：2387-2396.

[4] VILLANUEVA J M，BROADHVEST J，HAUSER B A，et al. INNER NO OUTER regulates abaxial-adaxial patterning in Arabidopsis ovules[J].Genes Dev，1999（13）：3160-3169.

[5] GOLZ J F，ROCCARO M，KUZOFF R，et al. GRAMINIFOLIA promotes growth and polarity of Antirrhinum leaves[J]. Development，2004（131）：3661-3670.

[6] JANG S，HUR J，KIM S J，et al. Ectopic expression of OsYAB1 causes extra stamens and carpels in rice[J]. Plant Mol Biol，2004（56）：133-143.

[7] YAMAGUCHI T，NAGASAWA N，KAWASAKI S，et al. The YABBY gene DROOPING LEAF regulates carpel specification and midrib development in Oryza sativa[J]. Plant Cell，2004（16）：500-509.

[8] ZHAO W，SU HY，SONG J，et al. Ectopic expression of tayab1，a me-mber of YABBY gene family in wheat，causes the partial abaxialization of the adaxial epidermises of leaves and arrests the development of shoot apical meristem in Arabidopsis[J]. Plant Science，2006，170（2）：364-371.

[9] SCHNEIDER M，TOGNOLLI M，BAIROCH A. The Swiss-Prot protein knowledgebase and expasy：providing the plant community with high quality proteomic data and tools[J]. Plant Physiol Biochem，2004（42）：1013-1021.

[10] ARNOLD K，BORDOLI L，KOPP J，et al. The SWISS-MODEL Workspace：A web-based environment for protein structure homology modelling[J].Bioinformatics，2006（22）：195-201.

[11] NAKAI K，HORTON P. PSORT：a program for detecting sorting signals in proteins and predicting their subcellular localization[J].Trends Biochem Sci，1999（24）：34-36.