擬南芥SBP基因家族生物信息學(xué)分析

姚遠(yuǎn) 馬勇

摘要SBP基因家族是植物體中特異性存在的一類重要轉(zhuǎn)錄因子，主要功能是調(diào)控生物生長以及細(xì)胞分化。此次研究采用生物信息學(xué)的方法，對擬南芥SBP蛋白序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析，并為其構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，擬南芥SBP基因家族共包括30個(gè)成員，分布在4條染色體上，其分布比較集中，分成三大亞族。擬南芥SBP蛋白具有的生物功能是控制生物生長以及細(xì)胞分化，調(diào)節(jié)基因表達(dá)以及谷胱甘肽的分解代謝過程，在Cu2+跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中也有一定作用。另外，有許多的蛋白序列還具有分子功能——調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子活性。該研究所得結(jié)果均為擬南芥SBP轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)一步功能分析提出了重要研究依據(jù)。

關(guān)鍵詞擬南芥;生物信息學(xué);SBP基因家族;進(jìn)化分析

中圖分類號Q943.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2020）15-0112-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.031

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Bioinformatics Analysis of SBP Gene Family in Arabidopsis thaliana

YAO Yuan1，2， MA Yong3

（1.Department of Neurology， Inner Mongolia Peoples Hospital， Hohhot， Inner Mongolia 010017;2.School of Life Sciences， Inner Mongolia University， Hohhot， Inner Mongolia 010060;3.Department of Biological Science and Technology， Baotou Teachers College， Baotou， Inner Mongolia 014030）

AbstractThe SBP gene family which existed in the specificity of the plant corpus is a kind of important transcriptional factor and its main function is to regulate and control biological growth and cell differentiation. In this study， bioinformatics methods were used to systematically analyze the sequence of A. thaliana?SBP protein and build the phylogenetic tree for the sequence of A. thaliana?SBP protein. The result of the experiment shows that the family includes 30 members， which is distributed on four chromosomes intensively and are divided into three subtribe. The biological function of A. thaliana?SBP protein is a process of not only controlling biological growth and differentiation of cells， but also regulating gene expression and glutathione catabolism and it also plays an important role in the copper ions transport membrane.In addition，a great number of protein sequences have molecular functionregulating and controlling the activity of transcription factors.The results of this study provide important research basis for further functional analysis of A. thaliana?SBP transcription factors.

Key wordsArabidopsis thaliana;Bioinformatics;SBP gene family;Evolutionary analysis

基金項(xiàng)目內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2017BS0315）;內(nèi)蒙古人民醫(yī)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019YN09，2019BS01）。

作者簡介姚遠(yuǎn)（1984—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，助理研究員，博士，從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。

*通信作者，副教授，從事植物分子生物學(xué)及基因工程研究。

收稿日期2020-01-05;修回日期2020-03-04

轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor）又被稱作反式作用因子。轉(zhuǎn)錄因子在植物體內(nèi)的作用部位位于細(xì)胞核內(nèi)，它是一種可以與某一指定基因上游相結(jié)合的，特異核苷酸序列上的蛋白質(zhì)[1]。通常，轉(zhuǎn)錄因子在植物中與它相對應(yīng)的順式元件一起控制基因表達(dá)。也就是說轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行著將基因翻譯為蛋白質(zhì)這一工作。研究發(fā)現(xiàn)，改變轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)對多個(gè)逆境有關(guān)功能基因的表達(dá)也起到一定的效果，從而對植物體的生長和發(fā)育、次生代謝以及抗逆性起到一定的調(diào)控作用。人們通過對轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控可以起到改良植物抗逆性的目的，對農(nóng)作物農(nóng)藝性狀的改良以及新品種的培育都能獲得較為理想的綜合效果[2]。

在植物體中包含著數(shù)量巨大的轉(zhuǎn)錄因子，而在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中就有將近27 000個(gè)基因，而這27 000個(gè)基因中有5.9%的基因都是編碼轉(zhuǎn)錄因子的。人們按照這些轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合區(qū)域的特點(diǎn)，將它們分成若干個(gè)家族[3]。

很早以前，人們在低等的苔蘚植物中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)錄因子家族。隨著自然的發(fā)展，由低等水生植物進(jìn)化到高等陸生植物，轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)也隨著植物的生長發(fā)育過程進(jìn)行轉(zhuǎn)變，它們自身變化的同時(shí)，也增進(jìn)了植物從低等進(jìn)化到高等的演變歷程。對植物進(jìn)化發(fā)育史以及基因的轉(zhuǎn)變發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)富含有大量的轉(zhuǎn)錄因子，其中擬南芥、大豆和水稻中就分別有2 016、3 546和2 856個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，在這些轉(zhuǎn)錄因子中作用最為顯著，研究最多的有MADS、bZIP、WRKY和SBP等，這些轉(zhuǎn)錄因子之間也相互交錯(cuò)著，織成了一個(gè)復(fù)雜的植物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)SBP基因家族普遍存在于綠色植物中，別的生物上未見到有關(guān)的報(bào)道[4]，因此SBP就被公認(rèn)為是植物所獨(dú)有的一種轉(zhuǎn)錄因子，現(xiàn)在在擬南芥中發(fā)現(xiàn)該家族共30個(gè)成員，這其中大部分已有文獻(xiàn)報(bào)道。這類轉(zhuǎn)錄因子主要是參與植物的生長、發(fā)育，還有許多生理生化反應(yīng)的信號傳導(dǎo)過程。

SBP基因家族是被發(fā)現(xiàn)比較晚的轉(zhuǎn)錄因子家族之一。1996年，德國科隆馬普研究所的Klein等[5]從金魚草中克隆得到了2個(gè)基因SBP1和SBP2，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)它們可以與金魚草花分生組織特征基因Squamosa啟動(dòng)子相結(jié)合，并可以調(diào)節(jié)它的表達(dá)，于是就將它命名為Squamosa啟動(dòng)子結(jié)合蛋白（squamosa promoter binding protein，SBP）。在這之后，Cardon等[6-7]又從擬南芥和玉米中陸續(xù)分離出了編碼類似SBP蛋白的基因，因其中眾多基因還沒進(jìn)行功能鑒定，所以將它們命名為類SBP基因（SBL），又因?yàn)樗鼈冎卸己芯幋aDNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的保守核苷酸序列，于是又將它們稱為SBP盒基因（SBP-BOX）。

該研究是在擬南芥全基因組水平上，通過使用生物信息學(xué)的方法，鑒別了SBP基因家族的成員，而且進(jìn)一步結(jié)合擬南芥家族基因，研究植物中SBP蛋白序列的進(jìn)化聯(lián)系，以期為更深入地研究擬南芥SBP基因家族的生物功能奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

研究所使用的擬南芥全基因組數(shù)據(jù)都是從植物轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫Planttfdb（http：∥planttfdb.cbi.pku.edu.cn/）下載，并從該網(wǎng)站下載所需要的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)包，保存至本地文件夾，建立擬南芥全基因組數(shù)據(jù)庫[8]。

1.2擬南芥SBP基因家族蛋白生物信息學(xué)分析

1.2.1擬南芥SBP基因家族蛋白的搜索與鑒定。

以擬南芥SBP轉(zhuǎn)錄因子家族蛋白序列作為探針序列，使用NCBI（https：∥www.ncbi.nlm.nih.gov/）數(shù)據(jù)庫中所包含的本地Blast功能對擬南芥蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查找，之后再使用SMART（simple modular architecture research tool）（http：∥smart.embl-heidelberg.de/）在線分析工具對候選蛋白的保守結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析，排除SBP基因家族蛋白序列中不具有保守結(jié)構(gòu)域的蛋白序列，留下所需要的蛋白序列進(jìn)行下一步分析與研究。

1.2.2擬南芥SBP基因家族系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析。

根據(jù)擬南芥SBP的保守結(jié)構(gòu)域蛋白序列進(jìn)行進(jìn)化樹分析，通過利用下載安裝的MEGA 5.2.0軟件里面的鄰位相接法（NJ），構(gòu)建擬南芥SBP轉(zhuǎn)錄因子候選蛋白系統(tǒng)發(fā)生樹，鑒定擬南芥SBP家族蛋白成員之間的進(jìn)化關(guān)系[9]，默認(rèn)的自舉值（Bootstrap analysis）設(shè)置為1 000個(gè)重復(fù)，其他參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)值。自舉值與其可信度呈顯著相關(guān)[10]。

1.2.3擬南芥SBP蛋白的保守域序列分析。

利用序列分析軟件DNAMAN8.0對擬南芥SBP家族蛋白序列進(jìn)行比對，參考Cardon等[6-7]的分類標(biāo)準(zhǔn)對所有的家族蛋白成員進(jìn)行分析。

1.2.4擬南芥STRING蛋白網(wǎng)絡(luò)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫分析。

利用蛋白網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)（STRING）對擬南芥SBP蛋白序列進(jìn)行生物功能以及分子功能的分析。

2結(jié)果與分析

2.1擬南芥SBP基因家族成員的鑒定

使用NCBI數(shù)據(jù)庫中所包含的本地Blast功能對擬南芥蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查找后得到30條含有典型SBP結(jié)構(gòu)域的非冗余的蛋白序列，再經(jīng)過SMART在線工具[11]進(jìn)行分析后，沒有發(fā)現(xiàn)不具有完整SBP結(jié)構(gòu)域蛋白序列，由此認(rèn)為30條序列均具有典型的SBP結(jié)構(gòu)域（表1）。

30個(gè)SBP基因在染色體上分布情況如下：1號染色體15個(gè)（AT1G02065.1、AT1G02065.2、AT1G20980.1、AT1G27360.1、AT1G27360.2、AT1G27360.3、AT1G27360.4、AT1G27370.1、AT1G27370.2、AT1G27370.3、AT1G27370.4、AT1G53160.1、AT1G53160.2、AT1G69170.1、AT1G76580.1），2號染色體3個(gè)（AT2G33810.1、AT2G42200.1、AT2G47070.1），3號染色體3個(gè)（AT3G15270.1、AT3G57920.1、AT3G60030.1），5號染色體9個(gè)（AT5G18830.1、AT5G18830.2、AT5G18830.3、AT5G43270.1、AT5G43270.2、AT5G43270.3、AT5G50570.1、AT5G50570.2、AT5G50670.1）。

2.2擬南芥SBP基因家族的分類及系統(tǒng)發(fā)育分析

進(jìn)化樹分析（圖1）表明，擬南芥SBP基因家族中AT5G50570.1、AT5G50570.2和AT5G50670.1;AT5G43270.1、AT5G43270.2和AT5G43270.3;AT1G53160.1和AT1G53160.2;AT1G02065.1和AT1G02065.2;AT1G27370.1、AT1G27370.2、AT1G27370.3和AT1G27370.4;AT1G27360.1、AT1G27360.2、AT1G27360.3和AT1G27360.4同源性較高，分別位于進(jìn)化樹的同一個(gè)分支，分化程度較少，推測這幾組基因可能存在功能冗余現(xiàn)象。冗余現(xiàn)象是生命體在漫長的進(jìn)化過程和適應(yīng)環(huán)境過程中，為了降低外界惡劣環(huán)境對自身生長發(fā)育的不利影響而保存下來的生存對策。在生命系統(tǒng)中，生物為了維持它正常的生存以及繁衍，抵抗外界不利環(huán)境如病蟲害、雨雪、干旱、霜凍、動(dòng)物的采摘和食用對它們產(chǎn)生的影響，有必要在加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的同時(shí)，準(zhǔn)備好大量的備用元件，這是適應(yīng)環(huán)境改變的一種生存策略。通常條件下，這些后備元件被稱為冗余元件。在生命系統(tǒng)中，從每一個(gè)細(xì)胞、組織、器官到個(gè)體、群落，生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)層次中都存在一定的冗余現(xiàn)象，甚至在分子水平上也存在許多的冗余現(xiàn)象[12]。擬南芥SBP基因家族中存在的冗余現(xiàn)象也許是為了更加適應(yīng)環(huán)境。

進(jìn)化分析樹表明，AT5G18830.1、AT5G18830.2與AT5G18830.3是SBP基因家族中親緣進(jìn)化關(guān)系最為接近的一組。由進(jìn)化樹可以直觀地看出，SBP基因家族可以分成3個(gè)亞族，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，第Ⅰ亞族包括AT1G27370.1、AT1G27370.2、AT1G27370.3、AT1G27370.4、AT1G27360.1、AT1G27360.2、AT1G27360.3和AT1G27360.4;第Ⅱ亞族包括AT5G50570.1、AT5G50570.2、AT5G50670.1、AT5G43270.1、AT5G43270.2和AT5G43270.3，其余的歸為第Ⅲ亞族。

2.3擬南芥SBP轉(zhuǎn)錄因子序列比對分析

通過DNAMAN8.0序列分析軟件對擬南芥SBP結(jié)構(gòu)域蛋白序列進(jìn)行鑒定和分析。結(jié)果顯示，擬南芥SBP中所有序列在第228位都具有絕對保守的氨基酸序列R*CQQC**F，在第189、194以及211位具有絕對保守的氨基酸序列C，在第204位具有絕對保守的氨基酸序列Y，在第208位具有絕對保守的氨基酸序列H（圖2）。

2.4擬南芥STRING蛋白網(wǎng)絡(luò)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫分析利用STRING蛋白網(wǎng)絡(luò)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫（http：∥www.string-db.org/）逐一對擬南芥SBP蛋白序列生物功能和分子功能進(jìn)行分析。擬南芥SBP轉(zhuǎn)錄因子中的30個(gè)蛋白序列的生物功能與分子功能如表2、3所示。

采用STRING蛋白網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)對擬南芥SBP蛋白序列進(jìn)行逐一分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擬南芥SBP基因家族的有些蛋白序列對其生長發(fā)育沒有作用，探究不到其參與的生物過程。通過數(shù)據(jù)分析，得到的初步結(jié)果為擬南芥SBP蛋白可能具有的生物功能是控制生物生長以及細(xì)胞分化，調(diào)節(jié)基因表達(dá)以及谷胱甘肽的分解代謝過程，在銅離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中也有一定作用。另外，有許多的蛋白序列還具有分子功能——調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子活性。

3討論

隨著植物分子生物學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，未來植物的改良技術(shù)將達(dá)到基因水平。植物轉(zhuǎn)錄因子的研究是目前生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，使用生物信息學(xué)方法對其基因家族成員進(jìn)行分析、鑒定、保守結(jié)構(gòu)域分析、成員分類、系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建以及STRING蛋白網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并且證明有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)錄因子的基因家族與植物對自然環(huán)境的防御能力以及生長發(fā)育等有關(guān)。有許多調(diào)控低溫、高鹽、干旱以及與植物體發(fā)育有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子已相繼從高等植物中提取出來。SBP轉(zhuǎn)錄因子家族是一個(gè)發(fā)現(xiàn)比較晚的家族，對它進(jìn)行生物學(xué)功能研究是一個(gè)十分重要的內(nèi)容。現(xiàn)在，植物轉(zhuǎn)錄因子研究在擬南芥中進(jìn)行得比較深入，而且已經(jīng)構(gòu)建了擬南芥轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫DATF[13]（http：∥datf.cbi.pku.edu.cn/），這也為此次數(shù)據(jù)分析提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)和廣泛的信息資源。

與普通的利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的生物學(xué)研究相比較，生物信息學(xué)能夠用較低的成本和較高的效率獲得研究資源。通過對擬南芥中SBP基因家族序列的分析及其編碼的蛋白質(zhì)功能的分析，為研究SBP特性及其條件提供理論參考，并對擬南芥SBP功能研究具有重要的指導(dǎo)意義。

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