煙草丙酮酸脫羧酶家族生物信學分析

王天龍 梁永標 何俊龍 李江美 李春榮 高文佑 官崇植 蘇家恩

摘 要：為研究煙草丙酮酸脫羧酶家族特性，運用ProtScale、CDD、Interpro、Muscle、phyml和TreeDyn等工具分析煙草丙酮酸脫羧酶家族各成員的親疏水性、結構域和進化樹。結果表明：NtPDC_1和NtPDC_2具有親水性，屬于可溶性蛋白，NtPDC_3，NtPDC _4，NtPDC_5和NtPDC_6具有疏水性，為非可溶性蛋白;煙草丙酮酸脫羧酶屬于硫胺素焦磷酸（TPP）依賴性酶超家族，各成員均含有3組結構域，分別為N-末端TPP結構域、中心域和C-末端TPP結構域;煙草、擬南芥、水稻、薏苡和玉米的丙酮酸脫羧酶聚類為4組，其中煙草丙酮酸脫羧酶主要聚集在Ⅰ組和Ⅱ組，其進化相對保守。

關鍵詞：煙草;丙酮酸脫羧酶;蛋白特性;聚類分析;生物信息學

中圖分類號：Q557.9文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2020）03-0004-04

Abstract： In order to study the characteristics of pyruvate decarboxylase family in tobacco， we used Protscale， CDD， Interpro， Muscle， PhyMl and TreeDyn tools to read the data of water affinity， domain and evolution tree of each member of pyruvate decarboxylase family in tobacco. The results show that NtPDC_1 and NtPDC_2 are hydrophilic and belong to soluble protein. NtPDC_3， NtPDC_4， NtPDC_5 and NtPDC_6 are hydrophobic and insoluble protein. Tobacco pyruvate decarboxylase belongs to the thiamine pyrophosphate （TPP） dependent enzyme superfamily， each member contains three groups of domains： N-terminal TPP domain， central domain and C-terminal TPP domain. Pyruvate decarboxylase clusters of tobacco， Arabidopsis， rice， Coix， maize are divided into four groups， among which tobacco pyruvate decarboxylase mainly gathers in group I and group II， and its evolution is relatively conservative.

Key words： tobacco; pyruvate decarboxylase; protein characteristics; cluster analysis; bioinformatics

丙酮酸脫羧酶可通過催化丙酮酸在非氧化條件下形成乙醛，為可再生能源乙醇的生成提供重要的底物[1]。此外，丙酮酸脫羧酶在植物遇到生物或非生物的逆境脅迫時可提供一定的生存保障，如高鹽、無氧和ABA處理等[2-4]。目前，關于丙酮酸脫羧酶的研究主要集中在丙酮酸脫羧酶分子的空間結構組成及運動、丙酮酸脫羧酶的催化過程及機理，以及丙酮酸脫羧酶的應用等方面[5]，關于丙酮酸脫羧酶家族特性的研究較少。煙草作為重要的模式作物，且具有特定的蛋白序列庫，數(shù)據(jù)豐富[6]。為此，筆者以煙草為材料，研究丙酮酸脫羧酶的家族特性，為煙草丙酮酸脫羧酶的應用研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 煙草丙酮酸脫羧酶家族序列的獲取

以NCBI數(shù)據(jù)庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）為基礎，獲取煙草丙酮酸脫羧酶家族成員的序列登錄號，其代碼依次為NP_001312861、XP_016495723、XP_016467254、XP_016508504、XP_016454960和XP_016508505，分別命名為NtPDC_1、NtPDC_2、NtPDC_3、NtPDC_4、NtPDC_5和NtPDC_6。

1.2 分析方法

采用ProtScale（http：//web.expasy.org/protparam/）、CDD（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）、Interpro（https：//www.ebi.ac.uk/interpro/）、Muscle（http：//www.phylogeny.fr/one_task.cgi？task_type=clustalw）、phyml（http：//www.phylogeny.fr/one_task.cgi？task_type=phyml）和TreeDyn（http：//www.phylogeny.fr/one_task.cgi？task_type=treedyn）工具[7-12]，對煙草丙酮酸脫羧酶家族的疏水性、結構域和進化樹進行分析。

2 結果與分析

2.1 煙草丙酮酸脫羧酶家族的親疏水性分析

通過對煙草丙酮酸脫羧酶家族的親疏水性分析，結果如圖1所示。NtPDC_1的測試結果最小值為-2.444，位于第366位，最大值為2.833，位于第583位，平均親疏水性為-0.065，說明NtPDC_1具有親水性;NtPDC_2的測試結果最小值及其位點與NtPDC_1一致，而最大值與NtPDC_1相同，但位置不同，位于第557位，平均親疏水性為-0.047，說明NtPDC_2具有親水性;NtPDC_3的測試結果最小值為-2.411，位于第144位，最大值與NtPDC_1相同，但位置不同，位于第572位，平均親疏水性為0.020，說明NtPDC_3具有疏水性;NtPDC_4的測試結果最小值為-2.578，位于第8位，最大值為2.944，位于第594位，平均親疏水性為0.005，說明NtPDC_4具有疏水性;NtPDC_5的測試結果最小值為-2.789，位于第377位，最大值為2.322，位于第109位，平均親疏水性為0.033，說明NtPDC_5具有疏水性;NtPDC_6的測試結果最小值及其位點與NtPDC_4一致，最大值為2.322，位于第156位，平均親疏水性為0.028，說明NtPDC_6具有疏水性。由于NtPDC_1和NtPDC_2屬于親水性蛋白，說明該蛋白易與水分子結合，由此可推斷NtPDC_1和NtPDC_2可能位于細胞的細胞質中，而NtPDC_3和NtPDC_4、NtPDC_5和NtPDC_6可能主要在亞細胞結構中發(fā)揮作用。

2.2 煙草丙酮酸脫羧酶家族的結構域分析

通過CDD工具對煙草丙酮酸脫羧酶家族成員進行整體性分析，獲取序列中丙酮酸脫羧酶、TPP依賴性2-氧代脫羧酶、硫胺素焦磷酸（TPP）、丙酮酸脫羧酶（PDC）和吲哚丙酮脫羧酶（IPD）亞家族等結構域及硫胺素焦磷酸酶N-末端TPP結構域的特異位點（包括TPP結合位點、PYR / PP接口和二聚體界面）。根據(jù)以上分析將煙草丙酮酸脫羧酶家族成員劃分為PLN02573、PDC1和TPP_enzyme_PYR超家族。為進一步確定其家族性和結構域，采用Interpro工具進行分析，結果如表1所示。煙草丙酮酸脫羧酶屬于硫胺素焦磷酸（TPP）依賴性酶超家族，且各成員均含有三組結構域，即：N-末端TPP結構域、中心域和C-末端TPP結構域;但各成員結構域所在位置有所差異。NtPDC_1內(nèi)的結構域分別位于26～200位、224～351位和441～585位;NtPDC_2內(nèi)的結構域分別位于26～200位、224～351位和405～559位;NtPDC_3內(nèi)的結構域分別位于41～215位、239～374位和424～574位;NtPDC_4內(nèi)的結構域分別位于63～237位、261～394位和446～596位;NtPDC_5內(nèi)的結構域分別位于16～190位、214～337位和402～549位，此外NtPDC_5還含有一組低復雜度域，位于344～358位;NtPDC_6內(nèi)的結構域分別位于63～237位、261～395位和444～520位。

2.3 煙草丙酮酸脫羧酶家族的進化樹分析

運用phyml方法將煙草與擬南芥、水稻、薏苡和玉米的丙酮酸脫羧酶進行序列比對，并構建進化樹，結果如圖2所示。這些丙酮酸脫羧酶被聚類為4組，Ⅰ組成員所占比例為16%，其成員均為煙草中的丙酮酸脫羧酶，包括NtPDC_3、NtPDC_4、NtPDC_5和NtPDC_6;Ⅱ組成員所占比例為24%，其成員包括煙草中的NtPDC_1和NtPDC_2，擬南芥中的NP_195752、OAO91142、NP_195033和BAD94479，其中煙草成員與擬南芥成員的相似度為74%;Ⅲ組成員所占比例為20%，其成員包括水稻中的XP_015631876、AAA90948和XP_015646176，玉米中的NP_001105052和XP_008654188;Ⅳ組成員所占比例為40%，其成員包括水稻中的XP_025881666、XP_015637741、AAA68290和XP_015615261，玉米中的AQK94418、NP_001105422、PWZ09677、CAA35589和NP_001105645，薏苡中的ABE57121。聚類分析結果表明，煙草丙酮脫羧酶的氨基酸序列在進化過程中較為穩(wěn)定。由此推測，在整個進化環(huán)境中，煙草丙酮脫羧酶的功能發(fā)揮受環(huán)境影響較小，進而維持較為保守的功能，且與擬南芥較為相似。

3 結論與討論

蛋白質序列中的親水性和疏水性氨基酸可通過排列分布影響其空間結構的折疊，因此對煙草丙酮酸脫羧酶家族成員進行親疏水性分析有利于探明其空間結構，便于后續(xù)分析。研究表明，煙草丙酮酸脫羧酶家族成員的親疏水性有一定的規(guī)律，即在序列的250～350位氨基酸之間主要以疏水性氨基酸為主。NtPDC_1和NtPDC_2具有親水性，NtPDC_3，NtPDC _4，NtPDC_5和NtPDC_6具有疏水性，這與王昭玉等[13]認為NtPDC_1和NtPDC_2屬于可溶性蛋白的結論相一致。煙草丙酮酸脫羧酶主要屬于硫胺素焦磷酸（TPP）依賴性酶超家族，具有N-末端TPP結構域、中心域和C-末端TPP結構域，且NtPDC_5含有一組低復雜度域，說明NtPDC_5的功能具有一定的特異性。聚類分析結果顯示，煙草丙酮酸脫羧酶家族成員聚類為Ⅰ組和Ⅱ組，其中Ⅰ組所有成員均為煙草丙酮酸脫羧酶，Ⅱ組成員為煙草和擬南芥的丙酮酸脫羧酶，由此推測煙草丙酮酸脫羧酶進化相對保守，與擬南芥的親緣關系較近，且NtPDC_1和NtPDC_2成員與擬南芥丙酮酸脫羧酶的功能相似[14]。

參考文獻：

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