雙峰駝凝乳酶原基因的生物信息學(xué)分析

楊 藝，普 燕，張富春

(新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆生物資源與基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆，烏魯木齊，830046)

隨著乳品行業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)發(fā)酵乳制品的需求也日益增加。近年來國內(nèi)外干酪市場發(fā)展迅猛，不僅對(duì)干酪的研究日益深入，而且制作干酪所用的凝乳酶需求量大增。干酪加工中添加凝乳酶的主要目的是促使牛乳凝結(jié)，為排除乳清提供條件［1］。凝乳酶是一種從未斷奶的小牛皺胃中發(fā)現(xiàn)的天門冬氨酸蛋白酶，可以專一地切割乳中κ-酪蛋白的Phe105-Met106之間的肽鍵，破壞乳中的酪蛋白膠束引起蛋白質(zhì)凝聚，因此在乳制品尤其是在干酪加工制作中應(yīng)用廣泛［2］，理想的凝乳酶應(yīng)能迅速、專一地打開κ-酪蛋白Phe105-Met106鍵，但水解蛋白其他肽鍵的能力較低，即兩者的活力比值要高［3］。凝乳酶凝乳后制成的干酪相當(dāng)于將原料奶中的蛋白質(zhì)和脂肪濃縮了十倍左右，另外干酪中還含有糖類、有機(jī)酸、常量礦物質(zhì)元素等多種成分，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值。凝乳酶主要為動(dòng)物來源的凝乳酶，約占市場的70%，同時(shí)還有植物來源的凝乳酶、微生物來源的凝乳酶和利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)的重組凝乳酶。牛凝乳酶有著強(qiáng)大的凝乳活性和較低的蛋白水解活性，是凝乳制作干酪的優(yōu)質(zhì)酶，目前對(duì)牛凝乳酶的研究已經(jīng)較為成熟，市場上銷售的凝乳酶主要是牛凝乳酶，而相應(yīng)駱駝凝乳酶研究較少，因此駱駝凝乳酶開發(fā)利用前景廣闊。Kappeler等［4］研究發(fā)現(xiàn)單峰駝凝乳酶與牛凝乳酶有不同的特性，單峰駝凝乳酶表現(xiàn)出比牛凝乳酶高70%的凝乳活性，卻只有牛凝乳酶的20%非特異性蛋白酶活性。動(dòng)力學(xué)分析表明，達(dá)到半飽和時(shí)，其所需的底物僅是牛凝乳酶的50%還少，并且牛凝乳酶不能凝結(jié)駱駝乳，說明駱駝凝乳酶有較高的凝乳活性。Jensen等［5］研究表明單峰駝凝乳酶的穩(wěn)定性高于牛凝乳酶。

本研究主要運(yùn)用生物信息學(xué)的方法對(duì)雙峰駝凝乳酶基因及相應(yīng)的氨基酸序列的同源性、理化性質(zhì)、保守結(jié)構(gòu)域、亞細(xì)胞定位、信號(hào)肽、跨膜結(jié)構(gòu)域、親水性/疏水性、二級(jí)結(jié)構(gòu)以及活性位點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測分析。旨在為研究雙峰駝凝乳酶的凝乳特性及其條件提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 雙峰駝凝乳酶原基因序列的獲得

首先從Broe［6］等人在2011申請(qǐng)的專利中獲得雙峰駝凝乳酶原基因序列，由上海生工生物工程有限公司合成雙峰駝凝乳酶原基因開放閱讀框序列，在大腸桿菌進(jìn)行原核表達(dá)，發(fā)現(xiàn)雙峰駝凝乳酶原融合蛋白以包涵體形式表達(dá)，分子大小與理論值相符。將雙峰駝凝乳酶原融合蛋白包涵體溶于尿素，但透析復(fù)性的雙峰駝凝乳酶原融合蛋白經(jīng)過酸化/中和處理并沒有得到有活性的凝乳酶，說明該基因序列所產(chǎn)生的雙峰駝凝乳酶原有誤。隨后通過檢索GeneBank數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)Kappeler等人正式注冊的雙峰駝凝乳酶原基因序列，與從專利獲得的序列比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)兩者雙峰駝凝乳酶原有六個(gè)氨基酸的差異，推測可能是這六個(gè)氨基酸的差異導(dǎo)致合成的凝乳酶無活性。本研究采用從GeneBank數(shù)據(jù)庫中獲得的雙峰駝凝乳酶原基因序列進(jìn)行分析。

1.2 生物信息學(xué)分析

利用 NCBI及 ProtParam、ProtScale、SignalP 4.0 Server、TMHMM2.0、等在線工具進(jìn)行核酸及氨基酸序列的組成、理化性質(zhì)、信號(hào)肽和親水性/疏水性分析;利用Blast和DNAMAN在線工具以及MEGA4.0軟件，進(jìn)行氨基酸序列的序列比對(duì)和同源性分析。所用軟件或在線工具有關(guān)信息見表1。

表1 預(yù)測基因結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的網(wǎng)站及軟件Table 1 The websites and softwares for predicting the gene structure and function

2 結(jié)果與分析

2.1 雙峰駝凝乳酶原基因序列

雙峰駝凝乳酶原基因序列是一個(gè)完整的開放閱 讀框，為1 146 bp，編碼381個(gè)氨基酸(見圖1)。

圖1 雙峰駝凝乳酶原序列及其氨基酸序列Fig.1 Nucleotide acid sequence and amino acid sequence of prochymosin in camelus bactrianus

2.2 雙峰駝凝乳酶原的同源性分析

通過GeneBank數(shù)據(jù)庫中的Blastp程序，對(duì)雙峰駝凝乳酶的氨基酸序列進(jìn)行同源性分析，數(shù)據(jù)顯示其與單峰駝，牦牛、牛、山羊、印度水牛、綿羊凝乳酶氨基酸序列相似性分別為99%、84%、84%、84%、83%和84%。利用DNAMAN軟件對(duì)雙峰駝凝乳酶原的氨基酸序列和其它物種凝乳酶原的氨基酸序列進(jìn)行多重比對(duì)(見圖2)。運(yùn)用MEGA4.0軟件，根據(jù)上述動(dòng)物的凝乳酶原的氨基酸序列構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹(見圖3)，進(jìn)一步的驗(yàn)證了其同源性。

圖2 雙峰駝凝乳酶原以及其它動(dòng)物種凝乳酶原的基氨基酸序列比對(duì)Fig.2 Homology analysis of camelus bactrianus prochymosin amino acid sequences and those from other animal species

圖3 不同物種基于凝乳酶原氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.3 Phylogenetic tree of different species basedon amino acid of prochymosin in camelus bactrianus

2.3 雙峰駝凝乳酶原氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)預(yù)測分析

通過ExPASyProtParam預(yù)測雙峰駝凝乳酶原基因編碼的氨基酸序列的組成和理化性質(zhì)，并與單峰駝、牛等動(dòng)物凝乳酶原基因的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，凝乳酶原基因均編碼381個(gè)氨基酸，并且其帶正、負(fù)電荷氨基酸數(shù)目相差甚微，分子量差異很小，等電點(diǎn)在4.8到5.9之間，其半衰期均大于10小時(shí)，表明其有較高穩(wěn)定性，根據(jù)定義當(dāng)不穩(wěn)定系數(shù)分值小于40時(shí)，預(yù)測蛋白質(zhì)比較穩(wěn)定;當(dāng)不穩(wěn)定系數(shù)分值大于40時(shí)，則該蛋白質(zhì)不穩(wěn) 定［7］，因此七種凝乳酶原均為較穩(wěn)定的蛋白。

表2 不同物種凝乳酶原的氨基酸理化性質(zhì)的比較Table 2 The physical and chemical characteristics of amino acid sequences of different prochymosin

2.3 雙峰駝凝乳酶原的保守結(jié)構(gòu)域分析

通過NCBI保守結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(Conserved Domain Database，CDD)，分析雙峰駝凝乳酶原中的保守結(jié)構(gòu)域(見圖4)，結(jié)果顯示雙峰駝凝乳酶原屬于胃蛋白酶A超家族，含有多個(gè)胃蛋白酶保守結(jié)構(gòu)域。

圖4 預(yù)測的雙峰駝凝乳酶原保守結(jié)構(gòu)域Fig.4 Conserved domain prediction of prochymosin in camelus bactrianus

2.4 雙峰駝凝乳酶的亞細(xì)胞定位

應(yīng)用Psort工具預(yù)測雙峰駝凝乳酶的亞細(xì)胞定位，結(jié)果見表2，其可能定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(膜)、過氧化物酶體、細(xì)胞質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(腔)。表3顯示雙峰駝凝乳酶定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(膜)的概率較高，為0.820，定位于過氧化物酶體、細(xì)胞質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(腔)的概率甚微。

表3 雙峰駝凝乳酶原的亞細(xì)胞定位Table 3 Subcellular location of prochymosin of camelus bactrianus

2.5 雙峰駝凝乳酶原信號(hào)肽預(yù)測和分析

圖5 雙峰駝凝乳酶信號(hào)肽預(yù)測Fig.5 Signal P prediction of prochymosin in camelus bactrianus

通過Signal P4.0Server軟件預(yù)測雙峰駝凝乳酶信號(hào)肽(見圖5)，結(jié)果顯示:第17位絲氨酸殘基具有最高的原始剪切位點(diǎn)分值0.661，第8位亮氨酸殘基具有最高的信號(hào)肽分值0.946，第17位絲氨酸殘基具有最高的綜合剪切位點(diǎn)分值0.778。由于氨基酸殘基的原始剪切位點(diǎn)和信號(hào)肽的分值均，可推測雙峰駝凝乳酶基因所編碼的蛋白存在信號(hào)肽，屬于分泌蛋白，與Foltman關(guān)于牛凝乳酶的研究一致，該研究表明牛凝乳酶存在一個(gè)16個(gè)氨基酸組成的前導(dǎo)信號(hào)序列，在通過細(xì)胞膜分泌中很重要［15］。

2.6 雙峰駝凝乳酶原跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測和分析

跨膜結(jié)構(gòu)域是膜內(nèi)在蛋白與膜脂相結(jié)合的主要部位，它固著于細(xì)胞膜上起錨定作用，一般由20個(gè)左右的疏水氨基酸組成。通過Expasy軟件中的TMHMM Server v.2.0工具預(yù)測雙峰駝凝乳酶原基因的跨膜螺旋區(qū)(見圖6)。預(yù)測結(jié)果顯示，雙峰駝凝乳酶原基因氨基酸序列中不存在跨膜螺旋區(qū)，蛋白質(zhì)整體381個(gè)氨基酸殘基全部在膜外，為非跨膜蛋白。

圖6 雙峰駝凝乳酶原跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測Fig.6 Predicted transmembrane domain of prochymosin in camelus bactrianus

2.7 雙峰駝凝乳酶原氨基酸序列的疏水性親水性的預(yù)測和分析

通過ExPASyProtScale在線軟件，對(duì)雙峰駝凝乳酶原基因所編碼的氨基酸序列的疏水性親水性進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果見圖7，分析雙峰駝凝乳酶的結(jié)果顯示，雙峰駝凝乳酶，最高的分值3.300，為第7位的亮氨酸，疏水性最強(qiáng);最低的分值-2.789，為第115和116位的精氨酸和苯丙氨酸，親水性最強(qiáng)。GRAVY值是測蛋質(zhì)的疏水性標(biāo)準(zhǔn)，通常GRAVY值分布在2至-2之間，如為正值，則該蛋白為疏水蛋白;如為負(fù)值，則為親水蛋白。其GRAVY值為 -0.096，從整體來看，親水性氨基酸殘基的分布在整條肽鏈上，且在整體上多于疏水性氨基酸殘基，推測雙峰駝凝乳酶是一種可溶性蛋白。

圖7 雙峰駝凝乳酶原氨基酸序列的疏水性親水性預(yù)測Fig.7 Predicted hydrophobicity/hydrophilicity of the amino acidsequence of camelus bactrianus prochymosin

2.8 雙峰駝凝乳酶原二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測和分析

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括α螺旋，延伸鏈，β轉(zhuǎn)角，無規(guī)則卷曲以及模序等蛋白質(zhì)局部結(jié)構(gòu)組件。通過GOR4方法對(duì)雙峰駝凝乳酶原二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線分析(見表4，圖8)，在雙峰駝凝乳酶原二級(jí)結(jié)構(gòu)中，無規(guī)則卷曲占的比例最高為53.02%，α螺旋占17.32%，延伸鏈占29.66%。由此可推測，無規(guī)卷曲是雙峰駝凝乳酶原二級(jí)結(jié)構(gòu)中最大量的結(jié)構(gòu)元件，α螺旋和延抻鏈分散于整個(gè)蛋白質(zhì)中。

表4 雙峰駝凝乳酶二級(jí)結(jié)構(gòu)典型構(gòu)象統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Secondary structure prediction of camelus bactrianus prochymosin

圖8 雙峰駝凝乳酶原二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測和分析Fig.8 Predicted secondary structure of camelus bactrianus prochymosin

2.9 雙峰駝凝乳酶原的活性位點(diǎn)的分析

通過NPS的PROSCAN對(duì)雙峰駝凝乳酶原進(jìn)行活性位點(diǎn)的分析(見表5)，結(jié)果顯示，雙峰駝凝乳酶原有6類活性位點(diǎn)，分別是N-糖基化位點(diǎn)、cAMP和cGMP依賴性蛋白激酶磷酸化位點(diǎn)、蛋白酶C磷酸化位點(diǎn)、酪蛋白激酶II磷酸化、N–十四?；稽c(diǎn)、真核生物和病毒天門冬氨酰蛋白酶活性位點(diǎn)。這可能與凝乳酶的分泌以及自剪切成為有活性的酶等生物學(xué)功能相關(guān)。

表5 雙峰駝凝乳酶原在NPS中的活性位點(diǎn)預(yù)測分析Table 5 Scanning of camelus bactrianus prochymosin for site/signatures against proscan database in NPS

3 結(jié)論

駱駝乳具有多種生理活性物質(zhì)，營養(yǎng)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的動(dòng)物乳制品。這些獨(dú)特成分使其在防病抗病方面起著積極的作用［16］。Jesper等研究的結(jié)果表明，單峰駝凝乳酶作為一種替代品已經(jīng)被成功地銷售，因?yàn)槠淠芴峁┹^高的干酪產(chǎn)量和制備的干酪苦味少，風(fēng)味很好，并且蛋白水解的活性較低［17］。Bansal N.等研究的結(jié)果表明，單峰駝凝乳酶適合用于契達(dá)奶酪的制作，不僅蛋白水解水平較低，并且具有有良好的風(fēng)味［18］。目前駱駝凝乳酶研究較少，對(duì)于雙峰駝凝乳酶原基因的生物信息分析尚未見報(bào)道，因此駱駝凝乳酶開發(fā)利用前景廣闊。

本研究運(yùn)用生物信息學(xué)分析軟件，系統(tǒng)地研究了雙峰駝凝乳酶原的基因序列和氨基酸序列。結(jié)果顯示，雙峰駝凝乳酶原基因全長1 146 bp，編碼381個(gè)氨基酸，屬于胃蛋白酶A超家族，可能定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(膜)的穩(wěn)定親水性蛋白，不含跨膜結(jié)構(gòu)域。無規(guī)卷曲是其二級(jí)結(jié)構(gòu)中最大量的結(jié)構(gòu)元件，α螺旋和延抻鏈分散于整個(gè)蛋白質(zhì)中，編碼蛋白有6類活性位點(diǎn)，主要分為N-糖基化位點(diǎn)，蛋白激酶磷酸化位點(diǎn)，蛋白酶磷酸化位點(diǎn)，N-十四酰化位點(diǎn)和蛋白酶活性位點(diǎn)。通過分析雙峰駝凝乳酶原基因及其編碼蛋白質(zhì)的特征為研究其凝乳特性及其條件提供理論參考，對(duì)凝乳酶凝乳功能的研究具有重要的意義。

References)

［1］ 鐘繼才.凝乳酶在干酪生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.中國乳品工業(yè)，2006，6(1):54-56.ZHONG Jicai.Application of rennin in cheese making［J］.China Dairy Industry，2006，6(1):54-56.

［2］ WILLIAMS M G，WILSHER J，NUGENT P，et al.Mutagenesis，biochemical characterization and X-ray structural analysis of point mutants of bovine chymosin［J］.Protein Eng，1997，10(9):991-997.

［3］ 周俊清.產(chǎn)高效凝乳酶菌株獲得方法的探討［J］.食品科學(xué)，2005，26(3):253-256.ZHOU Junqing.Discussion on method of yielding high effect chymosin-producing strain ［J］. Food Science，2005，26(3):253-256.

［4］ KAPPELER S R，BRINK H M V D，RAHBEK-NIELSEN H，et al.Characterization of recombinant camel chymosin reveals superior properties for the coagulation of bovine and camel milk ［J］.Biochemical and Biophysical Research Communications，2006，342(2):647-654.

［5］ JANGHOLM JENSEN J， M?LGAARD A， NAVARRO POULSEN J C，et al.Camel and bovine chymosin:the relationship between their structures and cheese-making properties［J］.Biological Crystallography，2013，D69，901-913.

［6］ BROE M L，BRINK J V D，HARBOE M R.Marianne Kirsten Harboe.Coagulation of Milk ［P］.United States，US2011/0008492A1，2011-1-13.

［7］ 陳珊珊，郭晉隆，李國印，等.甘蔗過氧化氫酶基因的電子克隆及生物信息學(xué)分析［J］.生物信息學(xué)，2012，10(1):65-70.CHEN Shanshan，GUO Jinlong， LIGuoyin，etal.Electronic cloning and characterization of CAT gene from Saccharum officinarum using bioinformatics tools ［J］.Chinese Journal of Bioinformaties，2012，10(1):65-70.

［8］ GASTEIGER E，HOOGLAND C，GATTIKER A，et al.Protein identification and analysis tools on the ExPASy server［J］.The Proteomics Protocols Handbook，2005，571-607.

［9］ PETERSEN T N，BRUNAK S，HEIJINE G V，et al.Signal P 4.0: discriminating signalpeptidesfrom transmembrane regions ［J］.Nature Methods，2011，8(10):785-786.

［10］ NAIR R，ROST B.Better prediction of sub-cellular localization by combing evolutionary and structural information［J］.PROTEINS:Structure，F(xiàn)unction，and Genetics，2003，53:917-930 .

［11］郝愛平，熊超超.小鼠Pitx2基因的生物信息學(xué)分析［J］.生物技術(shù)，2012，22(6):13-16.HAO Aiping，XIONG Chaochao.Bioinformatics analysis of pitx2 gene in mouse［J］.Biotechnology，2012，22(6):13-16.

［12］ MA Tingting，ZHOU Yijun，GAO Fei，et al.Bioinformatical analysis on sequence and functions ofperoxidase in Arabidopsis ［J］. Agricultural Biotechnology，2012，13(8):1645-1650.

［13］ TAMNRA R，DUDLEY J，NEI M，et al.MEGA4:Molecular Evolutionary Genetics Analysis(MEGA)software version 4.0［J］.Molecular Biology Evolution，2007，24(8):1596-1599.

［14］蔡明，高貝，張道遠(yuǎn).齒肋赤蘚熱激蛋白60基因的電子克隆和生物信息學(xué)分析［J］.生物信息學(xué)，2013，11(3):216-223.CAI Ming， GAO Bei， ZHANG Daoyuan. Electronic cloning and characterization of HSP60 gene from Syntrichia caninervis using bioinformatics tool［J］.Chinese Journal of Bioinformaties，2013，11(3):216-223.

［15］ FOLTMANN B，PEDERSEN V B，JACOBSEN H，et al.The complete amino acid sequence ofprochymosin ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1977，74:2321-2324.

［16］何俊霞，哈斯蘇榮，那仁巴圖，等.駝乳醫(yī)療保健作用的研究進(jìn)展Ⅱ［J］.食品科學(xué)，2009，30(23):504-507.HE Junxia，HASISURONG，NARENBATU，et al.Research progress in health care function of camel milk［J］.Food Science，2009，30(23):504-507.

［17］ S?RENSEN J，PALMER D S，QVIST K B，et al.Initial Stage of Cheese Production:A Molecular Modeling Study of Bovine and Camel Chymosin Complexed with Peptides from the Chymosin-Sensitive Region of K-Casein ［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59:5636-5647.

［18］ BANSAL N，DRAKE M A D A，PIRAINO P，et al.Suitability of Recombinant Camel(Camelus Dromedarius)Chymosin as a Coagulant for Cheddar Cheese ［J］.International Dairy Journal，2009，19:510-517.