鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白結(jié)構(gòu)分析及同源建模

沈清清，田雪琪，常征

（文山學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，云南 文山 663099）

鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白結(jié)構(gòu)分析及同源建模

沈清清，田雪琪，常征

（文山學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，云南 文山 663099）

采用生物信息學(xué)的研究方法，應(yīng)用一系列工具軟件分析研究鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白，以認(rèn)識(shí)鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)，并為進(jìn)一步研究該蛋白空間結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。獲得鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)相關(guān)理化參數(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)蛋白的3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行了同源建模、質(zhì)量評(píng)價(jià)分析。研究結(jié)果表明鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白是一種酸性蛋白，主要定位于細(xì)胞核區(qū)；蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)主要由無(wú)規(guī)則卷曲和α-螺旋兩種結(jié)構(gòu)組成；同源建模后得到的3D模型在空間構(gòu)象上有較高的合理性，其中模型A有100%氨基酸殘基數(shù)落于Ramachandran圖的允許區(qū)，該模型含有14個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu)，5個(gè)βα-β單位，2個(gè)β-折疊結(jié)構(gòu)，1個(gè)β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)，16個(gè)β-轉(zhuǎn)角和1個(gè)γ-轉(zhuǎn)角。

蛋白；原核生物；同源建模

鈍頂螺旋藻（Αrthrospira platensis）是一種光合自養(yǎng)型藍(lán)藻，富含維生素、蛋白質(zhì)和多糖等生物活性物質(zhì)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。鈍頂螺旋藻是由許多柱狀單細(xì)胞構(gòu)成的藻絲體，具有規(guī)則的螺旋狀或波浪卷曲狀的形態(tài)特征，但當(dāng)環(huán)境條件或環(huán)境因子變化時(shí)，藻絲體的彎曲度、螺旋度和長(zhǎng)度均有可能發(fā)生改變，甚至變成不可逆的直線形態(tài)，另外，有研究也證實(shí)鈍頂螺旋藻的藻絲體能自發(fā)的發(fā)生形態(tài)變異［1-2］。許多科研人員對(duì)螺旋藻形態(tài)轉(zhuǎn)變的機(jī)制進(jìn)行了大量的假設(shè)和研究，但目前仍然沒(méi)有獲得肯定的答案。隨著FtsZ、MreB 和 Cres等原核生物細(xì)胞骨架蛋白的發(fā)現(xiàn)［3-4］，許多科研人員逐漸把目光轉(zhuǎn)向了研究原核生物細(xì)胞骨架蛋白與螺旋藻藻絲體形態(tài)建成是否存在相關(guān)性，以期從這一角度挖掘出螺旋藻形態(tài)變異確切的答案。早在1980年，Lutkenhaus JF等［5］就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞骨架蛋白FtsZ是調(diào)控原核生物細(xì)胞分裂的主要物質(zhì)，與真核細(xì)胞微管蛋白具有許多類似的結(jié)構(gòu)與功能。之后Mingorance J［6］和Owawa M［7］發(fā)現(xiàn)FtsZ能與GTP 結(jié)合裝配成FtsZ 原絲，這種FtsZ 原絲是中空的，能定位于細(xì)胞分裂的位點(diǎn)，在細(xì)胞分裂時(shí)裝配形成一個(gè)稱為Z環(huán)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞隔膜和新生壁的形成依賴于這一環(huán)狀結(jié)構(gòu)。目前在C.crescentus和E.coli兩種原核生物中除了發(fā)現(xiàn)FtsZ環(huán)的存在與分裂位點(diǎn)新細(xì)胞壁的合成密切相關(guān)外，還與細(xì)胞兩極附近側(cè)壁合成有關(guān)，表明FtsZ在細(xì)胞壁的形態(tài)建成上起著非常重要的作用［8］。

2012年，鄒路陽(yáng)等［1］研究了不同形態(tài)鈍頂螺旋藻藻絲體蛋白表達(dá)的情況，發(fā)現(xiàn)直線形和螺旋形藻絲體中原核骨架蛋白FtsZ的表達(dá)量相差較大，說(shuō)明鈍頂螺旋藻的形態(tài)建成與FtsZ密切相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)研究鈍頂螺旋藻形態(tài)變異的機(jī)制有著很大的促進(jìn)作用，但目前有關(guān)鈍頂螺旋藻中FtsZ蛋白詳細(xì)的化學(xué)信息還未見(jiàn)報(bào)道，其晶體結(jié)構(gòu)也尚未解析，生物大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能［9］，因此本研究旨在通過(guò)利用生物信息學(xué)的方法分析FtsZ蛋白的一、二級(jí)結(jié)構(gòu)的理化性質(zhì)，對(duì)其三級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行同源建模，為進(jìn)一步研究FtsZ空間結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。

1　序列來(lái)源

供項(xiàng)目研究的分析序列來(lái)源于美國(guó)生物信息中心（NCBI）的 Protein數(shù)據(jù)庫(kù)，序列信息：FtsZ （Αrthrospira platensis NIES-39），序列登錄號(hào)：BAI93200.1。

2　方法

2.1FtsZ蛋白的一、二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

2.1.1一級(jí)結(jié)構(gòu)分析

將鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白的氨基酸序列提交至瑞士ExPASy網(wǎng)站信息系統(tǒng)，利用該網(wǎng)站的工具ProtParam計(jì)算蛋白各方面的化學(xué)與物理參數(shù)值；利用亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)工具PSORT Prediction計(jì)算蛋白理論上的定位位點(diǎn)［10-11］。

2.1.2二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

將鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白序列發(fā)送至法國(guó)里昂生物化學(xué)與蛋白研究所（IBCP）提供的服務(wù)器NPS@，用在線工具 SOPMA預(yù)測(cè)蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)，分析蛋白的局部結(jié)構(gòu)元件［11］。

2.2蛋白的同源建模及評(píng)估

在瑞士生物信息學(xué)研究所網(wǎng)頁(yè)上運(yùn)行在線工具SWISS-MODEL，利用同源建模法對(duì)提交的鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白氨基酸序列進(jìn)行計(jì)算，從PDB蛋白庫(kù)中選擇具顯著同源性的模板序列，構(gòu)建出理想匹配值的3D模型，輸出相關(guān)建模參數(shù)；利用PROCHECK結(jié)構(gòu)分析與驗(yàn)證服務(wù)器對(duì)3D模型空間結(jié)構(gòu)的可信度與合理性進(jìn)行評(píng)估［10-11］，輸出Ramachandran圖。

3　結(jié)果與分析

3.1FtsZ蛋白氨基酸組成及理化性質(zhì)分析

鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白分子式C1941H3157N565O625S5，由426個(gè)氨基酸組成，分子量是44.57 kD，含20種常見(jiàn)氨基酸，其含量見(jiàn)表1，其中丙氨酸（Ala）含量最高，為11.0%，其次是甘氨酸（Gly），含量為10.8%。酸性氨基酸殘基總數(shù)較堿性氨基酸總數(shù)多10，因此該蛋白屬酸性蛋白。脂肪族氨基酸指數(shù)為92.09，理論等電點(diǎn)PI為4.94，原子總數(shù)是6293，其疏水性平均值（GRAVY）為-0.171，N末端氨基酸為蛋氨酸（Met），蛋白的半衰期估算值為30 h。PSORT Prediction預(yù)測(cè)工具對(duì)FtsZ蛋白的亞細(xì)胞定位位點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算出的結(jié)果表明細(xì)胞核區(qū)是FtsZ蛋白的主要定位區(qū)域，其概率比較大，值為60%。

3.2FtsZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與分析

利用在線工具SOPMA預(yù)測(cè)分析鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示，F(xiàn)tsZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)中含39.91%的無(wú)規(guī)則卷曲（Random coil）結(jié)構(gòu)，由170個(gè)氨基酸組成，33.80%的α-螺旋（Alpha helix）結(jié)構(gòu)，由144個(gè)氨基酸組成，17.84%的擴(kuò)展長(zhǎng)鏈（Extended strand）結(jié)構(gòu)，由76個(gè)氨基酸組成，8.45%的β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，由36個(gè)氨基酸組成。以上數(shù)據(jù)表明無(wú)規(guī)則卷曲和α-螺旋是鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白的主要成分。

表1　氨基酸組成及含量

3.3FtsZ蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)分析及同源建模

運(yùn)行在線工具SWISS-MODEL，從PDB蛋白庫(kù)中篩選出具有顯著同源性的3個(gè)模板序列，PDB id分別為2vam.1、4dxd.1和4m8i.1，F(xiàn)tsZ蛋白的氨基酸序列與這3個(gè)模板的序列同源性分別為61.08%、59.31%和59.31%，同源建模后獲得的3D模型如圖2所示，對(duì)這3個(gè)3D模型結(jié)構(gòu)的合理性與質(zhì)量進(jìn)行PROCHECK評(píng)估，輸出Ramachandran圖（見(jiàn)圖3），圖3中顯示模型A有100%的氨基酸殘基落在允許區(qū)，其中96.1%落在最適區(qū)，3.9%落在附加區(qū)；模型B有98.8%的氨基酸殘基落在允許區(qū)，其中92.6%落在最適區(qū)，6.2%落在附加區(qū)，剩余1.2%落在非允許區(qū)；模型C有99.6%的氨基酸殘基落在允許區(qū)，其中92.3%落在最適區(qū)，7.3%落在附加區(qū)，0.4%落在非允許區(qū)。以上結(jié)果表明通過(guò)SWISSMODEL構(gòu)建的3個(gè)模型在空間結(jié)構(gòu)上符合立體化學(xué)規(guī)則，合理性較高，各氨基酸殘基的落點(diǎn)滿足二面角的分布要求，其中模型A最能反映出FtsZ蛋白真實(shí)的空間構(gòu)象，該模型含有14個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu)，5個(gè)βα-β單位，2個(gè)β-折疊結(jié)構(gòu)，1個(gè)β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)，16個(gè)β-轉(zhuǎn)角和1個(gè)γ-轉(zhuǎn)角。

圖1　FtsZ二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

圖2　蛋白同源建模后的模型

圖3　蛋白氨基酸殘基二面角分布圖（Ramachandran圖）

4　結(jié)論

1）鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白由426個(gè)氨基酸組成，含20種氨基酸，其中丙氨酸（Ala）含量最高為11.0%，為酸性蛋白。PSORT的分析表明FtsZ蛋白主要定位于鈍頂螺旋藻的細(xì)胞核區(qū)，其概率值較高為60%。

2）鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果表明無(wú)規(guī)則卷曲和α-螺旋是其主要結(jié)構(gòu)，其比例分別為39.91%和33.80%。

3）SWISS-MODEL系統(tǒng)為建模選擇的3個(gè)模板與鈍頂螺旋藻FtsZ蛋白序列同源性均較高，均在59%以上，因此構(gòu)建出的3D模型PROCHECK評(píng)價(jià)結(jié)果均屬高質(zhì)量模型，其中模型A 有100%的氨基酸殘基落在允許區(qū)，具有較高利用價(jià)值。

［1］ 鄒路陽(yáng)，吳娟，曾群安，等. FtsZ在鈍頂螺旋藻形態(tài)建成中的作用［J］. 水生生物學(xué)報(bào)， 2012（5）：898-904.

［2］ 林重陽(yáng).鈍頂螺旋藻兩種藻絲體的差異膜蛋白分析及肌動(dòng)蛋白類似物的初步研究［D］. 廈門：廈門大學(xué)， 2009.

［3］ 張斌，東秀珠. FtsZ蛋白同源性分析在乳酸菌系統(tǒng)學(xué)研究中的應(yīng)用［J］. 微生物學(xué)報(bào)， 2005（5）：661-664.

［4］ 陳曉燕，汪志平，楊靈勇. 原核細(xì)胞骨架蛋白的結(jié)構(gòu)與功能［J］. 細(xì)胞生物學(xué)雜志， 2006（5）：699-703.

［5］ Lutkenhaus JF，Wolf-Watz H，Donachie WD. Organization of genes in the ftsA-envA region of the Escherichia coli genetic map and identification of a new fts locus （ftsZ）［J］. J Bacteriol， 1980（2）：615-620.

［6］ Mingorance J，Tamames J，Vicente M. Geonmic channelingin bacterial cell division ［J］. Journal Molecular Recogintion， 2004（5）： 481-487.

［7］ Owawa M，Anderson DE，Erichson HP. Reconstitution of contractile FtsZ rings in liposomes ［J］. Science，2008（5877）： 792-794.

［8］ Cabeen MT，Jacobs-Wagner C. Skin and bones： the bacterial cytoskeleton，cell wall，and cell morphogenesis［J］. The Journal of Cell Biology，2007（3）：381-387.

［9］ Reisler E，Egelman EH. Actin Structure and Function：What We Still Do Not Understand［J］. Journal of Biological Chemistry，2007（50）：36133-36137.

［10］ 沈清清，劉芳，陳紅惠. 維氏氣單胞菌MreB蛋白的結(jié)構(gòu)分析及其系統(tǒng)發(fā)育學(xué)意義［J］. 微生物學(xué)通報(bào)， 2015（2）：272-279.

［11］ 沈清清，劉芳，趙芳，等. MreB蛋白與actin蛋白的同源建模和進(jìn)化關(guān)系研究［J］. 文山學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（3）：31-37.

Structural Analysis and Homology Modeling of FtsZ Protein in Arthrospira Platensis

SHEN Qingqing， TIAN Xueqi， CHANG Zheng
（School of Environment and Resources， Wenshan University， Wenshan Yunnan 663099， China）

To understand the fi rst and secondary structures of Arthrospira Platensis FtsZ protein， and establish the foundation for further investigating its three-dimensional structure and function mechanism， the paper adopts biological information approaches and series of soft wares to study it. Online soft wares are used to analyze the primary structure and physicochemical properties of the protein， and its secondary structure is predicted. A threedimensional structure is established and a quality evaluation has been done. The research results show that FtsZ protein of Arthrospira Platensis is an acidic protein composed of 426 amino acids， which is mainly located in the cell nucleus. Secondary structure of the protein mainly consists of random coil and α-helices structures. The model built by homology modeling presents a reasonable spatial structure. Besides， Model A is high-quality model with 100% residual base of amino acid set in the allowed regions. The results of homology modeling reveal that the tertiary structure of the protein contains 14 α-helical structures， 5 beta-alpha-beta units structures， 2 β-folded structures， 1 beta bulge structures， 16 β-turns and 1 γ-turns.

Protein； prokaryote； homology modeling

TQ936.2

A

1674 - 9200（2015）06 - 0035 - 04

（責(zé)任編輯 張鐵）

2015 - 09 - 14

文山學(xué)院科研基金項(xiàng)目“真核與原核生物細(xì)胞骨架蛋白的同源建模比對(duì)分析及系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系研究”（11WSY01）。

沈清清，文山學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院副教授，碩士。