蛹蟲草（Cordyceps militaris）LaeA蛋白的生物信息學(xué)分析

張 劍，付亞娟

（1.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000）

生命與環(huán)境科學(xué)

蛹蟲草（Cordyceps militaris）LaeA蛋白的生物信息學(xué)分析

張 劍1，付亞娟2

（1.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000）

采用ProtParam、ProtScale、SignalP 4.1、SOPMA、SWISS-MODEL等在線生物學(xué)軟件對(duì)LaeA蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)、信號(hào)肽、跨膜結(jié)構(gòu)域、蛋白質(zhì)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測分析。結(jié)果表明，蛹蟲草LaeA蛋白質(zhì)是由20種295個(gè)氨基酸組成，不含信號(hào)肽、無跨膜結(jié)構(gòu)域、穩(wěn)定的親水蛋白；LaeA蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)主要由α-螺旋、無規(guī)則卷曲、伸展鏈和β-轉(zhuǎn)角組成，其中α-螺旋和無規(guī)則卷曲是LaeA蛋白的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)。通過生物信息學(xué)預(yù)測分析首次獲得了蛹蟲草LaeA蛋白的理化性質(zhì)及各級(jí)結(jié)構(gòu)信息，為將來深入研究蛹蟲草LaeA蛋白的生物學(xué)功能奠定了理論基礎(chǔ)。

蛹蟲草；LaeA；生物信息學(xué)；結(jié)構(gòu)

0 引言

蛹蟲草（Cordyceps militaris）別名北蟲草、北冬蟲夏草，隸屬于子囊菌門、麥角菌科、蟲草屬，是一種名貴的藥用真菌[1]。由于蛹蟲草與冬蟲夏草具有相似的藥用和滋補(bǔ)功效，2014年蛹蟲草被批準(zhǔn)作為替代冬蟲夏草的新保健食品[2]。蛹蟲草含有多種天然生理活性物質(zhì)，如蟲草素、蟲草酸、麥角固醇、蟲草多糖等[3]。已有研究表明，這些生理活性成分具有廣泛的藥理作用，如抗菌、抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、改善肝功能、免疫調(diào)節(jié)等[4-8]。

LaeA蛋白，作為一種全局性調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子，在絲狀真菌的形態(tài)分化、次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成中起著重要的調(diào)控作用[9-12]。2011年，Zheng等[13]報(bào)道了蛹蟲草基因組中也存在LaeA基因。LaeA蛋白是否對(duì)蛹蟲草活性成分合成有調(diào)控作用？LaeA基因的敲除或過表達(dá)是否會(huì)影響其活性成分的種類及含量？這些相關(guān)研究目前尚未見報(bào)道。因此，本文利用生物信息學(xué)軟件對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白的理化性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為其生物學(xué)功能的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

蛹蟲草（Cordyceps militaris）LaeA蛋白的氨基酸序列來源于NCBI(National Center for Biotechnology Information)；登錄號(hào)（Accession number）：XP_0066 70602。

1.2 研究方法

1.2.1 LaeA蛋白的理化性質(zhì)預(yù)測

利用在線生物信息學(xué)軟件ProtParam對(duì)LaeA蛋白的理化性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測；ProtScale分析LaeA蛋白疏水性或親水性；SignalP 4.1預(yù)測LaeA蛋白信號(hào)肽；TMpred預(yù)測LaeA蛋白跨膜結(jié)構(gòu)；利用Psort對(duì)LaeA蛋白的亞細(xì)胞定位進(jìn)行分析。

1.2.2 LaeA蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測

通過在線生物信息學(xué)軟件SOPMA對(duì)LaeA蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測，分析其二級(jí)結(jié)構(gòu)組成元件。

1.2.3 LaeA蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測

將LaeA蛋白的氨基酸序列提交至Swiss-Model服務(wù)器，采用同源建模方法預(yù)測LaeA蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 LaeA蛋白的理化性質(zhì)分析

蛹蟲草LaeA蛋白由20種295個(gè)氨基酸組成，其中亮氨酸的（Leu）含量最高，達(dá)到8.8%；其次是谷氨酸（Glu）和丙氨酸（Ala），含量分別為7.8%和6.8%；不含硒氨酸（Sec）和吡咯賴氨酸（Pyl）。酸性氨基酸（Asp+Glu）總數(shù)為40，堿性氨基酸（Arg+Lys）總數(shù)為33；理論等電點(diǎn)pI為5.76；分子式為C1552H2343N417O434S18，相對(duì)分子質(zhì)量分為34.36 kD；脂肪系數(shù)（Aliphatic index）為78.68；疏水性平均值（GRAVY）為-0.4。不穩(wěn)定系數(shù)（Instability index）為38.52，表明該蛋白為穩(wěn)定蛋白質(zhì)。

2.2 LaeA蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測與分析

運(yùn)用TMpred軟件對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域進(jìn)行預(yù)測（見圖1）。從圖1可以看出，LaeA蛋白未見明顯跨膜結(jié)構(gòu)域，說明該蛋白質(zhì)不是跨膜蛋白。鑒于LaeA蛋白在絲狀真菌中作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，推測蛹蟲草LaeA蛋白作用的主要區(qū)域?yàn)榧?xì)胞核。而亞細(xì)胞定位顯示，蛹蟲草LaeA蛋白主要定位于細(xì)胞質(zhì)中，其概率值為65.2%，這說明細(xì)胞質(zhì)中LaeA蛋白不需要跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，可以直接通過核孔復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。因此，綜合LaeA蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測及亞細(xì)胞定位結(jié)果分析，表明蛹蟲草LaeA蛋白不存在跨膜結(jié)構(gòu)域。

圖1 蛹蟲草LaeA蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測

2.3 LaeA蛋白信號(hào)肽預(yù)測

采用在線軟件SignalP 4.1 Server對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白是否存在信號(hào)肽進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果如圖2所示。該圖顯示C-score、S-score和Y-score的最大值分別為0.109、0.116和0.104，而信號(hào)肽平均值、加權(quán)平均值分別為0.101和0.103。通過上述數(shù)據(jù)推測，蛹蟲草LaeA蛋白無信號(hào)肽，屬于非分泌蛋白。

圖2 蛹蟲草LaeA蛋白信號(hào)肽預(yù)測

2.4 LaeA蛋白的親水性和疏水性預(yù)測

采用ProtScale軟件對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白的親水/疏水性進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖3所示。通過對(duì)287個(gè)氨基酸（5-291）綜合分析，發(fā)現(xiàn)93個(gè)氨基酸（32.4%）分布在高分值區(qū)，總得分為49.159；而194個(gè)氨基酸（67.6%）分布在低分值區(qū)，總得分為-173.335。由此可見，蛹蟲草LaeA蛋白存在大量親水氨基酸殘基，為親水性蛋白質(zhì)。

圖3 蛹蟲草LaeA蛋白親水/疏水性預(yù)測

2.5 LaeA蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測與分析

采用SOPMA在線軟件對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯枷x草LaeA蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要由α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、伸展鏈和無規(guī)則卷曲4種結(jié)構(gòu)元件構(gòu)成，其中α-螺旋占 47.46%（140/295）、β-轉(zhuǎn)角占 9.15%（27/295）、伸展鏈占17.63%（52/295）和無規(guī)則卷曲占25.76%（76/295）。由此可見，α-螺旋和無規(guī)則卷曲是LaeA蛋白主要的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件。

圖4 蛹蟲草LaeA蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測

2.6 LaeA蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測

采用在線軟件SWISS-MODEL對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白進(jìn)行同源建模，進(jìn)行其三級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測（見圖5）。從圖5可以看出，蛹蟲草LaeA蛋白主要在α-螺旋、無規(guī)則卷曲、伸展鏈和β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞、折疊，依靠次級(jí)鍵的維系固定所形成的三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。

圖5 蛹蟲草LaeA蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測

3 討論

蛹蟲草作為一種珍稀的食藥用真菌，其保健功能和藥用價(jià)值一直備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。蛹蟲草活性成分的研究主要集中在蟲草素、蟲草酸、蟲草多糖、蟲草多肽、蟲草凝集素、黃酮類化合物等[14]。目前，這些活性成分的生物學(xué)功能研究已取得了一定進(jìn)展，但其合成代謝途徑與調(diào)控機(jī)制尚不明確。LaeA蛋白已被證實(shí)為絲狀真菌全局轉(zhuǎn)錄性調(diào)控因子，調(diào)控眾多次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成[15-18]。但LaeA是否參與調(diào)控蛹蟲草活性物質(zhì)的合成代謝途徑，LaeA基因的敲除或過表達(dá)是否會(huì)激活蛹蟲草某些次級(jí)代謝產(chǎn)物沉默基因簇的表達(dá)以產(chǎn)生新型活性物質(zhì)，這些基本科學(xué)問題目前尚不明確，迫切需要開展相關(guān)的研究。本文首次以蛹蟲草LaeA蛋白為研究對(duì)象，通過在線生物信息學(xué)軟件對(duì)其理化性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)蛹蟲草LaeA是一種由20種295個(gè)氨基酸組成、無信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域、穩(wěn)定的親水性蛋白質(zhì)。另外，亞細(xì)胞定位顯示，蛹蟲草LaeA蛋白主要定位于細(xì)胞質(zhì)，推測蛹蟲草LaeA蛋白也可能作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在細(xì)胞質(zhì)中合成后直接通過核孔復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞核對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控。

4 結(jié)論

采用一系列在線生物學(xué)軟件對(duì)蛹蟲草LaeA蛋白的理化性質(zhì)和各級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)LaeA蛋白是由20種295個(gè)氨基酸組成，不含信號(hào)肽、無跨膜結(jié)構(gòu)域、穩(wěn)定的親水蛋白質(zhì)；α-螺旋和無規(guī)則卷曲是LaeA蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要組成元件。該項(xiàng)研究工作的開展，為將來深入解析蛹蟲草LaeA基因的生物學(xué)功能奠定了理論基礎(chǔ)，同時(shí)還為嘗試敲除LaeA基因或過表達(dá)LaeA蛋白發(fā)掘蛹蟲草新型活性物質(zhì)提供了一條新的研究思路。

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Bioinformatics Analysis of LaeA Protein from Cordyceps militaris

ZHANG Jian1，F(xiàn)U Ya-juan2
（1.Langfang Polytechnic Institute，Langfang 065000，China；2.Langfang Teachers Universtity，Langfang 065000，China）

A series ofonline biological software,such as ProtParam，ProtScale，SignalP 4.1,SOPMA，and SWISS-MODEL，were used to analyze the physicochemical properties，signal peptide，transmembrane domain，secondary and tertiary structure of LaeA protein from Cordyceps militaris.The results showed that LaeA protein from C.militaris，which was composed of 295 amino acids，was predicted as a stable and hydrophilic protein without signal peptide and transmembrane domain.The secondary structure of LaeA protein was mainly composed of α-helix，randon coil，β-turn，and extended strand.Among these elements，α-helix and random coil were the principal ingredient in LaeA protein.Thus，the physicochemical propertiesand structural information ofLaeA protein were for the first time obtained by bioinformatics analysis，which would be beneficial for further studyon the biological function ofLaeAprotein in C.militaris.

Cordyceps militaris；LaeA；bioinformatics；structure

Q51

A

1674-3229（2017）03-0057-04

2017-05-19

2015年度河北省社會(huì)科學(xué)發(fā)展研究課題民生調(diào)研專項(xiàng) （201501519）；2014河北省高校食藥用菌應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心項(xiàng)目(YF201411-321)

張劍（1981-），男，碩士，廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院城建工程系講師，研究方向：食用菌。