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    植物三萜皂苷代謝中糖基轉(zhuǎn)移酶進化研究

    2019-05-05 00:53:14趙志新張思瑾
    商洛學院學報 2019年2期
    關(guān)鍵詞:薔薇科三萜進化樹

    趙志新,張思瑾

    (商洛學院 生物醫(yī)藥與食品工程學院,陜西商洛726000)

    三萜皂苷是植物界中一類重要的次生代謝產(chǎn)物,具有多種生物活性,其可增強植物抗病、抗蟲害的能力,還具有抗炎、抗腫瘤、抗凝血、抗病毒、降低膽固醇、保肝等作用[1]。三萜皂苷合成途徑,其第一步是先通過甲羥戊酸等途徑生成異戊二烯焦磷酸,再經(jīng)過催化酶鯊烯環(huán)氧酶等的催化,生成2,3-氧化鯊烯環(huán)化酶,環(huán)化形成三萜類骨架,然后通過細胞色素p450、糖基轉(zhuǎn)移酶、β-糖苷酶的修飾作用,最后形成糖苷化合物——三萜皂苷[2]。糖基轉(zhuǎn)移酶(GT,Glycosyltransferase)作為三萜皂苷生物合成的最后一步,對其基因的克隆以研究植物抗病機理及藥用植物次生代謝調(diào)控機制目前已深入到了分子水平[3]。糖基轉(zhuǎn)移酶在植物的生長發(fā)育過程和次生代謝調(diào)節(jié)方面起著重要作用[4],經(jīng)過糖基化修飾的受體分子能改變其在細胞內(nèi)溶解性、穩(wěn)定性和區(qū)域定位等特性,還能調(diào)節(jié)信號傳導(dǎo)、細胞周期、應(yīng)答反應(yīng)、蛋白表達調(diào)控和清除細胞[5]。一直以來,對于糖基轉(zhuǎn)移酶的研究多是以擬南芥為材料,近年來雖然有植物糖基轉(zhuǎn)移酶體外生物化學方面的研究,但在糖基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域和功能關(guān)系方面的研究進展還相對緩慢[6]。本研究利用生物信息學分析工具,首先搜集GenBank中已公布的植物糖基轉(zhuǎn)移酶序列,然后使用生物信息學工具對糖基轉(zhuǎn)移酶序列的保守結(jié)構(gòu)域以及親緣進化關(guān)系進行分析,為以后研究糖基轉(zhuǎn)移酶酶學特征及三萜皂苷代謝提供借鑒。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    首先查找有關(guān)植物GT相關(guān)文獻,然后依據(jù)查找文獻并GenBank搜索,獲得已公布的16種植物GT序列(見表1)。

    表1 獲得的具有糖基轉(zhuǎn)移酶的植物

    1.2 方法

    使用NCBI提供的在線分析工具CDD(Conserved Domain Database,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)分析蛋白質(zhì)序列保守結(jié)構(gòu)域;使用MEGA 6.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)進化樹,分析所搜集的植物中GT進化關(guān)系。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 保守結(jié)構(gòu)域的預(yù)測和分析

    圖1為CDD工具顯示紅景天保守結(jié)構(gòu)域結(jié)果;同樣,利用CDD工具對其余15條序列進行保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測分析,結(jié)果見表2。

    圖1 紅景天GT保守結(jié)構(gòu)域分析

    從圖1可以看出,紅景天GT氨基酸序列有一個GTB糖基轉(zhuǎn)移酶超家族,有三類不同的保守結(jié)構(gòu)域,分別為活性位點結(jié)構(gòu)域(active site)、底物結(jié)合保守結(jié)構(gòu)域(substrate-binding pocket)和TDP結(jié)合位點結(jié)構(gòu)域(TDP-binding site)。其他植物GT也都屬于GTB超家族(Accession登錄號:Cl10013),具有統(tǒng)計極顯著性(E<8.95×10-49),主要參與催化糖類轉(zhuǎn)移的生物學功能。

    表2 糖苷轉(zhuǎn)移酶序列保守結(jié)構(gòu)域

    2.2 構(gòu)建糖基轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)進化樹

    使用MEGA 6.0軟件對16種植物的GT序列構(gòu)建進化樹,采用不同算法以比較所構(gòu)建樹的差異,進而分析其親緣關(guān)系。

    2.2.1 Maximum Likelihood Tree算法構(gòu)建進化樹

    依據(jù)Maximum Likelihood Tree算法(圖2),這16種植物的GT序列可以分為三大類,滇牡丹(芍藥科)和蒺藜苜蓿(豆科)為一類;野葛(蝶形花科)、北柴胡(傘形科)、七彩紅竹(禾本科)和薔薇(薔薇科)聚為一類;其余的植物中,花生(豆科)為一個亞類,剩余的紅景天等聚為一個亞類。進化關(guān)系顯示,七彩紅竹(禾本科)和薔薇(薔薇科)、三七(五加科)和黑莓(薔薇科)、桉樹(桃金娘科)和白蘇子(唇形科)、紅景天(景天科)和毛白楊(楊柳科)它們兩兩之間糖基轉(zhuǎn)移酶進化關(guān)系最近。

    2.2.2 Neighbor-joining Tree算法構(gòu)建進化樹

    使用Neighbor-joining Tree算法構(gòu)建的進化樹顯示(圖3),這16種植物的氨基酸序列明顯地分為三大類,北柴胡(傘形科)、薔薇(薔薇科)、七彩紅竹(禾本科)、紅景天(景天科)、毛白楊(楊柳科)、野葛(蝶形花科)聚為一類;黑莓(薔薇科)、蒺藜苜蓿(豆科)、三七(五加科)、天山雪蓮(菊科)、桉樹(桃金娘科)、白蘇子(唇形科)為一類;花生(豆科)、刺五加(五加科)、滇牡丹(芍藥科)、石榴(石榴科)為一類。其中毛白楊(楊柳科)和野葛(蝶形花科)、薔薇(薔薇科)和北柴胡(傘形科)、滇牡丹(芍藥科)和石榴(石榴科)、桉樹(桃金娘科)和白蘇子(唇形科)、三七(五加科)和天山雪蓮(菊科)、黑莓(薔薇科)和蒺藜苜蓿(豆科)它們兩兩之間糖基轉(zhuǎn)移酶進化關(guān)系最近。

    圖2 Maximum Likelihood Tree算法

    圖3 Neighbor-joining Tree算法

    2.2.3 Maximum Parsimony Tree算法構(gòu)建進化樹

    由圖4可以看出,16種植物分為三大類,及野葛(蝶形花科)為一類;薔薇(薔薇科)、七彩紅竹(禾本科)、北柴胡(傘形科)、桉樹(桃金娘科)、黑莓(薔薇科)、蒺藜苜蓿(豆科)為一類;滇牡丹(芍藥科)、石榴(石榴科)、刺五加(五加科)、花生(豆科)、白蘇子(唇形科)、紅景天(景天科)、毛白楊(楊柳科)、天山雪蓮(菊科)、三七(五加科)為一類。薔薇(薔薇科)和七彩紅竹(禾本科)、紅景天(景天科)和毛白楊(楊柳科)、滇牡丹(芍藥科)和石榴(石榴科)它們兩兩之間糖基轉(zhuǎn)移酶進化關(guān)系最近。

    綜合比較三種不同算法所構(gòu)建的進化樹,可以明顯看出三種算法所得結(jié)果差異較大,說明這16種植物的糖基轉(zhuǎn)移酶序列總體變異不大,進化上比較保守,以至于不同算法的影響遠大于物種本身的差異。同時也表明算法對進化樹構(gòu)建結(jié)果影響較大,要審慎選擇不同的進化樹構(gòu)建算法。

    圖4 Maximum Parsimony Tree(s)算法

    3 討論與結(jié)論

    糖基轉(zhuǎn)移酶催化的糖基化反應(yīng)是三萜皂苷生物合成的最后一步,使得單糖與三萜皂苷苷元由糖苷鍵相連。本文通過使用生物信息學方法,顯示16種植物的保守結(jié)構(gòu)域都屬于GTB超家族,主要參與催化糖類轉(zhuǎn)移的生物學功能,表明糖基轉(zhuǎn)移酶的功能結(jié)構(gòu)域具有高度的保守性。進化分析表明,16種植物GT基因大致被分為三類,滇牡丹(芍藥科)和石榴(石榴科)、紅景天(景天科)和毛白楊(楊柳科)、薔薇(薔薇科)和七彩紅竹(禾本科)它們兩兩之間糖基轉(zhuǎn)移酶進化關(guān)系最近,說明GT基因在進化上具有一定的保守性,這與野葛中的研究結(jié)果相類似[7],同時研究顯示藥用植物中鯊烯環(huán)氧酶進化也比較保守[8],這與本文研究相一致。同時許多基因組數(shù)據(jù)表明,糖基轉(zhuǎn)移酶基因在進化上不是獨立的,在糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族中,旁系同源基因更易被選擇;代謝途徑中存在基因共調(diào)節(jié)和蛋白相互作用;代謝途徑中某些化合物相互排斥;糖基轉(zhuǎn)移酶進化還依賴基因重復(fù),主要是串聯(lián)重復(fù),而不是片段重復(fù)[9]。因為酶的功能表現(xiàn)最終是催化代謝反應(yīng),對于糧食或藥用植物來說與有效成分的生成或積累相關(guān),本研究顯示糖基轉(zhuǎn)移酶在保守結(jié)構(gòu)域和進化中都顯示較高的保守性,因此建議下一步研究與糖基轉(zhuǎn)移酶表達相關(guān)的三萜皂苷產(chǎn)物是否也有類似的特性,以指導(dǎo)人們開發(fā)和利用相近的植物資源。本文對糖基轉(zhuǎn)移酶的生物信息學分析,可為以后研究GT酶學特征及三萜皂苷代謝提供幫助。

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