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1 Guihaia Feb. 2016ꎬ 36(2): http: / / journal.gxzw.gxib.cn http: / / DOI: / guihaia.gxzw 齐 小 琼 ꎬ 葛 亚 飞 ꎬ 李 大 卫. 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 分 子 克 隆 和 序 列 分 析 [J]. 广 西 植 物 ꎬ 2016ꎬ 36(2): QI XQꎬGE YFꎬLi DW. Molecular clone and sequence analysis of hemoglobin gene in Ceratopteris thalictroides[j]. Guihaiaꎬ 2016ꎬ 36(2): 摘 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 分 子 克 隆 和 序 列 分 析 齐 小 琼 1 ꎬ 葛 亚 飞 1 2 ꎬ 李 大 卫 ( 1. 湖 北 第 二 师 范 学 院 化 学 与 生 命 科 学 学 院 / 植 物 抗 癌 活 性 物 质 提 纯 与 应 用 湖 北 省 重 点 实 验 室 ꎬ 武 汉 ꎻ 2. 中 国 科 学 院 武 汉 植 物 园 植 物 种 质 创 新 与 特 色 农 业 重 点 实 验 室 ꎬ 武 汉 ) 要 : 植 物 血 红 蛋 白 (Hemoglobin) 是 一 类 由 珠 蛋 白 (Globin) 和 血 红 素 (Ferroheme) 组 成 的 结 合 蛋 白 ꎬ 在 植 物 中 广 泛 分 布 ꎬ 迄 今 已 在 苔 藓 植 物 裸 子 植 物 和 被 子 植 物 中 克 隆 到 血 红 蛋 白 基 因 序 列 ꎬ 但 在 蕨 类 植 物 中 相 关 研 究 还 未 见 报 道 ꎮ 该 研 究 采 用 热 不 对 称 交 错 PCR(TAIL PCR) 方 法 克 隆 了 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 全 长 序 列 ꎮ 该 基 因 的 序 列 总 长 为 949 bpꎬ 包 含 4 个 外 显 子 和 3 个 内 含 子 ꎬ 编 码 189 个 氨 基 酸 ꎮ 预 测 的 蛋 白 质 ( 命 名 为 CtHb) 的 分 子 量 为 kdaꎬ 等 电 点 (pi) 为 7.81ꎮ 三 维 结 构 模 拟 表 明 CtHb 具 有 植 物 血 红 蛋 白 典 型 的 三 级 结 构 : 即 含 有 A B C E F G 和 H 螺 旋 ꎬ 形 成 了 3 on 3 的 三 明 治 结 构 ꎮ 和 水 稻 血 红 蛋 白 的 三 级 结 构 相 比 ꎬCtHb 的 大 部 分 结 构 ( 包 括 具 有 远 端 和 近 端 组 氨 酸 定 位 的 E 螺 旋 和 F 螺 旋 的 位 置 等 ) 同 水 稻 的 结 构 极 为 相 似 ꎮ 两 者 的 不 同 之 处 主 要 表 现 在 :(1) CtHb 含 有 较 长 的 N 端 区 域 ꎻ(2) 两 者 CD loop 的 折 叠 方 式 不 同 ꎻ(3) 两 者 螺 旋 B 和 螺 旋 C 的 连 接 方 式 不 同 ꎬCtHb 是 通 过 卷 曲 连 接 的 ꎬ 而 水 稻 中 借 助 的 是 螺 旋 ꎮ 结 构 进 化 分 析 揭 示 了 植 物 血 红 蛋 白 从 非 共 生 到 共 生 进 化 过 程 中 的 一 些 关 键 改 变 ꎬ 这 些 改 变 可 能 有 助 于 非 共 生 血 红 蛋 白 向 共 生 血 红 蛋 白 结 构 的 转 变 ꎬ 特 别 是 有 助 于 豆 血 红 蛋 白 共 生 功 能 的 实 现 ꎮ 关 键 词 : 植 物 血 红 蛋 白 ꎬ 序 列 分 析 ꎬ 三 级 结 构 模 拟 ꎬ 结 构 进 化 ꎬ 水 蕨 中 图 分 类 号 : Q943.2ꎬ Q75 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : (2016) Molecular clone and sequence analysis of hemoglobin gene in Ceratopteris thalictroides QI Xiao Qiong 1 ꎬ GE Ya Fei 1 ꎬ LI Da Wei 2 ( 1. School of Chemistry and Life Sciencesꎬ Hubei University of Education/ Hubei Key Laboratory of Purification and Application of Plant Anticancer Active Ingredientsꎬ Wuhan ꎬ Chinaꎻ 2. Key Laboratory of Plant Germplasm Enhancement and Specialty Agricultureꎬ Wuhan Botanical Gardenꎬ Chinese Academy of Sciencesꎬ Wuhan ꎬ China ) Abstract: Plantsꎬ like humansꎬ contain hemoglobins ( Hbs)ꎬ which consist mostly of protein subunits ( the globin molecules) and heme groups. Phylogenomic analysis shows that Hbs are widely distributed in higher plantsꎬ and by com paring sequencesꎬ expression patternsꎬ and ligand binding propertiesꎬ it is evident that three distinct types of Hb exist in plants: symbioticꎬ non symbioticꎬ and truncated Hbs. In the recent yearsꎬ the genes of Hb have been cloned and identi fied in various species of bryophytesꎬ gymnosperms and angiospermsꎬ but no study has been reported in the ferns until 收 稿 日 期 : 修 回 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 ( ꎬC130405)ꎻ 湖 北 省 科 学 研 究 计 划 项 目 ( Q )ꎻ 湖 北 省 自 然 科 学 基 金 (2015CFB508)ꎻ 植 物 抗 癌 活 性 物 质 提 纯 与 应 用 湖 北 省 重 点 实 验 室 开 放 课 题 ( HLPAI ) [ Supported by the National Natural Science Foundation of China ( ꎬ C130405)ꎻ Scientific Research Project of Educational Commission of Hubei Province ( Q )ꎻ Natural Science Foundation of Hubei Province (2015CFB508)ꎻ Open Research Fund of Hubei Key Laboratory of Purification and Application of Plant Anticancer Active Ingredients(HLPAI )]ꎮ 作 者 简 介 : 齐 小 琼 (1981 )ꎬ 女 ꎬ 山 东 昌 邑 人 ꎬ 博 士 ꎬ 讲 师 ꎬ 主 要 从 事 进 化 遗 传 学 研 究 ꎬ(E mail) @ qq.comꎮ 通 讯 作 者 : 李 大 卫 ꎬ 博 士 ꎬ 副 研 究 员 ꎬ 主 要 从 事 果 树 遗 传 育 种 方 向 ꎬ( )david.lee1983@ 163.comꎮ

2 2 期 齐 小 琼 等 : 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 分 子 克 隆 和 序 列 分 析 217 now. In the present studyꎬ a full length Hb gene from Ceratopteris thalictroides was cloned by Thermal Asymmetric Inter laced (TAIL) PCRꎬ and sequence analysis was conducted by bioinformatics. The results revealed that the gene was 949 bp longꎬ containing 4 exons interrupted by 3 introns. The deduced protein (named CtHb) with 189 amino acid residues had a predicted isoelectric point (PI) of 7.81 and a calculated molecular mass kda. Modeling of the tertiary struc ture indicated that CtHb possesses the typical tertiary structure as plant Hbs (including helices Aꎬ Bꎬ Cꎬ Eꎬ Fꎬ G and Hꎬ these together forms a sandwich structure of 3 on 3). Comparative structure analysis of CtHb with rice native NsHb1 revealed that most of the CtHb structure was quite similar to that of rice NsHb1ꎬ including the positions of helices E and Fꎬ where distal and proximal His were locatedꎬ respectively. Howeverꎬ the structure differences were as follows: (1)The N terminus region was longer in CtHb than in rice NsHb1ꎻ (2)The CD loop folded differentlyꎻ (3) Helices to coils transition at the connect regions of helices B and C were different. Structural comparison revealed major evolutionary changes during plant Hbs evolution. Some of these structural changes would be helpful for the transition from nonsymbiot ic Hb to symbiotic Hb and for the specialization of a symbiotic function for symbiotic Hb. Key words: plant hemoglobinꎬ sequence analysisꎬ tertiary structure modelingꎬ structural evolutionꎬ Ceratopteris thalic troides 植 物 血 红 蛋 白 ( Hemoglobin) 是 一 类 由 珠 蛋 白 (Globin) 和 血 红 素 (Ferroheme) 组 成 的 结 合 蛋 白 ꎬ 广 泛 存 在 于 植 物 界 ꎬ 在 植 物 固 氮 及 抵 御 胁 迫 中 具 有 重 要 作 用 ꎮ 随 着 研 究 的 不 断 深 入 ꎬ 根 据 血 红 蛋 白 的 序 列 表 达 方 式 以 及 配 体 结 合 性 质 把 植 物 中 的 血 红 蛋 白 分 为 三 类 : 共 生 的 血 红 蛋 白 ( Symbiotic hemoglobinꎬshb) 非 共 生 的 血 红 蛋 白 ( Nonsymbiotic hemoglobinꎬnshb) 和 截 短 的 血 红 蛋 白 (Truncated he moglobinꎬthb)ꎮ 共 生 的 血 红 蛋 白 主 要 存 在 于 豆 类 和 一 些 非 豆 类 植 物 ( 主 要 是 放 线 菌 结 瘤 植 物 和 榆 科 植 物 某 些 属 ) 固 氮 根 瘤 菌 侵 染 的 根 瘤 细 胞 中 ꎮ 非 共 生 的 血 红 蛋 白 比 共 生 的 血 红 蛋 白 分 布 更 广 泛 ꎬ 不 仅 存 在 于 含 有 共 生 血 红 蛋 白 的 植 物 中 ꎬ 而 且 也 存 在 于 其 他 植 物 中 ꎻ 并 可 在 多 种 器 官 中 表 达 ꎬ 如 正 常 生 长 条 件 和 胁 迫 条 件 下 植 物 的 根 茎 叶 花 和 种 子 中 ( An derson et alꎬ1996ꎻ Lira Ruan et alꎬ2001ꎻ Ross et alꎬ 2004ꎻ Taylor et alꎬ1994ꎻ Trevaskis et alꎬ1997)ꎮ 截 短 的 血 红 蛋 白 首 先 在 原 核 生 物 原 生 动 物 和 真 核 藻 类 中 发 现 ꎬ 后 来 在 一 些 植 物 中 也 发 现 了 该 蛋 白 (Watts et alꎬ 2001)ꎮ 其 序 列 比 其 他 血 红 蛋 白 短 (Pesce et alꎬ2000)ꎬ 三 维 结 构 是 由 α 螺 旋 通 过 2 on 2 的 方 式 排 列 而 成 ꎬ 不 同 于 3 on 3 标 准 的 血 红 蛋 白 折 叠 ꎮ 通 过 系 统 发 育 分 析 表 明 ꎬ 植 物 中 的 thb 与 shb NsHb 形 成 了 不 同 的 谱 系 ( Lineages)ꎬtHb 是 通 过 基 因 水 平 转 移 从 细 菌 中 获 得 ( Vinogradov et alꎬ 2006)ꎬ 具 体 的 功 能 还 不 是 很 清 楚 ꎮ 血 红 蛋 白 基 因 在 植 物 中 普 遍 存 在 ꎬ 就 目 前 积 累 的 数 据 来 看 ꎬ 大 部 分 序 列 来 自 于 被 子 植 物 ꎬ 在 裸 子 植 物 和 苔 藓 植 物 中 有 几 条 代 表 序 列 ꎬ 但 蕨 类 和 石 松 类 植 物 中 尚 未 见 有 相 关 报 道 ꎬ 不 完 全 的 序 列 数 据 影 响 了 该 基 因 家 族 的 分 子 进 化 研 究 ꎮ 本 研 究 通 过 分 子 克 隆 手 段 获 得 蕨 类 植 物 水 蕨 的 血 红 蛋 白 基 因 的 完 整 编 码 区 序 列 ꎬ 并 进 行 生 物 信 息 学 分 析 三 级 结 构 模 拟 及 进 化 分 析 ꎬ 试 图 阐 明 该 基 因 在 序 列 组 成 基 因 结 构 三 级 结 构 等 方 面 的 特 征 ꎬ 并 推 断 其 可 能 的 功 能 ꎻ 通 过 与 其 他 分 类 群 中 的 血 红 蛋 白 基 因 进 行 比 较 分 析 ꎬ 探 讨 其 在 不 同 分 类 群 中 较 独 特 的 进 化 样 式 ꎮ 1 材 料 与 方 法 1.1 植 物 材 料 蕨 类 植 物 水 蕨 的 健 康 幼 嫩 叶 片 采 自 中 国 科 学 院 武 汉 植 物 园 ꎮ 1.2 主 要 分 子 生 物 学 试 剂 普 通 Taq DNA 聚 合 酶 高 保 真 LA Taq 酶 dntp 等 试 剂 购 自 TaKaRaꎻDNA 凝 胶 纯 化 回 收 试 剂 盒 购 于 Axygen 生 物 技 术 有 限 公 司 ꎮ 1.3 试 验 方 法 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 部 分 片 段 的 扩 增 分 别 用 拟 南 芥 ( Arabidopsis thaliana) AHB1 和 AHB2 基 因 ( 登 录 号 :AAD26949ꎬAAB82770) 的 蛋 白 序 列 作 为 查 询 序 列 ꎬ 通 过 对 数 据 库 中 已 报 道 的 蕨 类 序 列 进 行 相 似 性 搜 索 ꎬ 在 Ceratopteris richardii 中 得 到 一 条 同 目 标 序 列 相 似 性 较 高 的 EST 序 列 ( 登 录 号 : BQ087262)ꎮ 根 据 这 条 序 列 设 计 一 对 特 异 引 物 ꎬ 进 行 PCR 扩 增 ꎮ 引 物 序 列 为 F cera:5 TCACCGAGC ATCTGCGTCAAT 3 ꎻ R cera: 5 TCAATAGGCAGTA CCTGACGA 3 ꎮ

3 218 广 西 植 物 36 卷 PCR 反 应 体 系 为 20 μlꎬ 引 物 各 40 pmolꎬdntp 各 1 pmolꎬ10 PCR 反 应 缓 冲 液 2.0 μlꎬtaq 酶 0.2 μl(5 U / μl)ꎮ 反 应 条 件 为 95 预 变 性 5 minꎻ 接 着 94 变 性 50 sꎬ53 退 火 50 sꎬ72 延 伸 60 sꎬ 共 36 个 循 环 ꎻ 最 后 72 延 伸 8 minꎮ 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 3 侧 翼 序 列 的 扩 增 以 提 取 的 总 DNA 为 模 板 ꎬ 用 3 个 巢 式 单 引 物 进 行 3 轮 TAIL PCR 扩 增 ꎬ 引 物 序 列 为 3 TAIL 1:5 TCTTAAT GTGAGTTCGCCTCTGTGA 3 ꎻ 3 TAIL 2: 5 CTTTGAG CAGCACAGGAATGGTCTC 3 ꎻ 3 TAIL 3: 5 CGGTG TAGTGGATGAGCATTATGAG 3 ꎮ TAIL PCR 的 反 应 体 系 为 50 μlꎬ 简 并 引 物 AD (5 TC( G / C) TICGNACIT ( A / T) GGA 3 ) ( Liu and Whittierꎬ 1995 )ꎮ 各 成 分 及 用 量 如 下 : LA buffer (Mg 2+ plus)5.0 μlꎻdntp Mix(2.5 mmol / L)8.0 μlꎻ AD 引 物 (20 μmol / L) 5. 0 μlꎻ 基 因 特 异 性 引 物 ( 5 μmol / L)2.0 μlꎻla Taq 酶 (5 U / μl) 0.5 μlꎻdna (50 ng / μl)5.0 μlꎻh 2 O 24.5 μlꎮ 第 一 轮 反 应 引 物 采 用 3 TAIL 1 和 ADꎬ 条 件 为 94 预 变 性 1 minꎬ98 预 变 性 1 minꎻ 接 着 94 变 性 30 sꎬ65 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ 共 5 个 循 环 ꎻ 紧 接 着 94 变 性 30 sꎬ25 退 火 3 minꎬ 在 3 min 内 攀 升 到 72 ꎬ72 延 伸 2 minꎬ 进 行 一 个 循 环 ꎻ 接 着 94 变 性 30 sꎬ65 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ94 变 性 30 sꎬ65 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ94 变 性 30 sꎬ44 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ 共 15 个 循 环 ꎻ 最 后 72 延 伸 10 minꎮ TAIL PCR 第 二 轮 反 应 引 物 采 用 3 TAIL 2 和 ADꎬ 将 第 一 轮 反 应 产 物 稀 释 50 倍 ꎬ 取 1 μl 作 为 第 二 轮 反 应 的 模 板 ꎬ 其 它 成 分 与 第 一 轮 反 应 相 同 ꎮ 反 应 条 件 为 94 预 变 性 1 minꎻ 接 着 94 变 性 30 sꎬ65 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ94 变 性 30 sꎬ65 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ94 变 性 30 sꎬ44 退 火 1 minꎬ72 延 伸 2 minꎬ 共 15 个 循 环 ꎻ 最 后 72 延 伸 10 minꎮ 第 三 轮 反 应 引 物 采 用 3 TAIL 3 和 ADꎬ 将 第 二 轮 反 应 产 物 稀 释 50 倍 ꎬ 取 1 μl 作 为 第 三 轮 反 应 的 模 板 ꎬ 其 它 成 分 与 第 二 轮 反 应 相 同 ꎮ 反 应 条 件 也 同 第 二 轮 相 同 ꎮ 产 物 回 收 连 接 转 化 克 隆 测 序 扩 增 片 段 凝 胶 回 收 采 用 凝 胶 回 收 试 剂 盒 ꎬ 参 照 说 明 书 进 行 ꎻ 产 物 连 接 采 用 TaKaRa 公 司 pmd19 T simple Vectorꎬ 参 考 说 明 书 ꎬ 反 应 体 系 稍 作 优 化 ꎮ 大 肠 杆 菌 感 受 态 细 胞 制 备 采 用 CaCl 2 法 ꎬ 将 目 的 基 因 通 过 热 激 法 转 化 到 大 肠 杆 菌 感 受 态 细 胞 中 ꎬ 阳 性 克 隆 采 用 蓝 白 斑 筛 选 方 法 并 进 一 步 采 用 PCR 方 法 ꎬ 扩 增 产 物 长 度 与 目 的 片 段 相 当 者 为 阳 性 克 隆 ꎮ 每 个 目 的 片 段 ꎬ 随 机 选 取 至 少 3 个 阳 性 克 隆 ꎬ 送 华 大 基 因 测 序 ꎮ 序 列 测 定 采 用 ABI PRISM 3730 DNA 测 序 仪 用 BigDye Termi nator Kit(Applied Biosystems) 进 行 双 向 克 隆 测 序 ꎮ 1.4 数 据 分 析 采 用 BioEdit 软 件 ( http: / / www. mbio. ncsu. edu / BioEdit / bioedit. html ) ( North Carolina State University) 对 克 隆 测 序 得 到 的 片 段 进 行 拼 接 ꎮ 采 用 FGENESH 和 NCBI ( http: / / linux1. softberry. com / berry.phtml) 的 ORF finder 进 行 开 放 阅 读 框 确 定 ꎮ 运 用 DNAstar 软 件 推 测 氨 基 酸 序 列 ꎬ 分 析 蛋 白 质 的 分 子 量 等 电 点 和 氨 基 酸 组 成 ꎮ 使 用 SignalP 3. 0 Server( http: / / www. cbs. dtu. dk / services / SignalP / ) 分 析 蛋 白 N 端 氨 基 酸 序 列 ꎬ 根 据 SignalP 分 析 得 到 的 Cmax 值 ( the cleavage site score) Smean ( the signal peptide score) 和 HMM 值 (Hidden Markov Model) 判 别 信 号 肽 序 列 ꎬ 确 定 是 否 存 在 信 号 肽 ꎮ 使 用 TargetP Server v1. 01 ( http: / / www. cbs. dtu. dk / services / Tar getp / ) 确 定 分 泌 蛋 白 的 分 泌 途 径 和 亚 细 胞 定 位 ꎮ 蛋 白 质 保 守 结 构 功 能 域 用 PROSITE SMART 软 件 和 PFAM 数 据 库 ( http: / / pfam. wustl. edu / ) 进 行 预 测 ꎮ 多 条 序 列 的 一 致 性 分 析 用 Bioedit 软 件 sequence i dentity matrix 进 行 ꎮ 使 用 在 线 软 件 SOPMA 预 测 蛋 白 二 级 结 构 并 计 算 各 种 二 级 结 构 所 占 的 百 分 比 ꎮ 将 推 导 的 氨 基 酸 序 列 提 交 瑞 士 生 物 信 息 研 究 所 的 Swiss model( http: / / www. isb sib. ch / ) ( Arnold et alꎬ 2006ꎻ Schwede et alꎬ2003)ꎬ 基 于 同 源 建 模 的 原 理 ꎬ 用 水 稻 的 NsHb1 作 为 模 板 ( PDB code: 1D8UA) 进 行 水 蕨 血 红 蛋 白 三 级 结 构 的 预 测 ꎮ 预 测 结 果 用 Py MOL 软 件 展 示 和 编 辑 ꎮ 运 用 Blast 工 具 ( http / / blast. ncbi. nlm. nih. gov / Blast.cgi)ꎬ 以 水 蕨 血 红 蛋 白 作 为 查 询 序 列 ꎬ 进 行 序 列 相 似 性 搜 索 ꎬ 并 选 取 相 似 性 较 高 的 序 列 用 MEGA6 软 件 (Tamura et alꎬ2013) 中 的 邻 接 算 法 进 行 进 化 树 的 构 建 ꎬ 其 中 多 重 序 列 比 对 采 取 Clustalx 软 件 进 行 ꎮ 2 结 果 与 分 析 2.1 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 克 隆 以 水 蕨 的 总 DNA 为 模 板 ꎬ 用 一 对 特 异 引 物 ( F cera 和 R cera) 扩 增 得 到 一 段 约 820 bp 的 片 段 ( 图

4 2 期 齐 小 琼 等 : 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 分 子 克 隆 和 序 列 分 析 219 1:a)ꎮ 经 过 分 析 ꎬ 该 序 列 的 5 端 是 完 整 的 ꎬ 因 此 只 需 通 过 染 色 体 步 移 技 术 获 得 3 侧 翼 序 列 ꎮ 基 于 获 得 的 序 列 片 段 ꎬ 进 一 步 设 计 了 一 组 巢 式 引 物 通 过 TAIL PCR 来 获 得 3 侧 翼 序 列 ꎮ 在 TAIL PCR 的 第 二 轮 和 第 三 轮 分 别 获 得 了 几 条 清 晰 的 条 带 ꎬ 根 据 巢 式 引 物 设 计 的 相 对 位 置 ꎬ 选 取 这 两 轮 反 应 的 产 物 大 小 相 差 大 约 100 bp 的 条 带 ( 图 1:b) 作 为 目 的 条 带 ꎮ 将 第 三 轮 的 目 的 条 带 回 收 克 隆 测 序 ꎬ 经 分 析 ꎬ 得 到 的 序 列 含 有 同 已 知 序 列 完 全 一 致 的 重 叠 区 ꎮ 将 上 述 实 验 获 得 的 序 列 拼 接 最 终 得 到 水 蕨 血 红 蛋 白 基 因 的 完 整 编 码 区 序 列 ꎮ 将 得 到 的 序 列 同 C. richardii 的 EST( 登 录 号 : BQ087262) 序 列 进 行 比 对 ꎬ 发 现 本 研 究 获 得 的 序 列 比 数 据 库 中 的 序 列 多 了 三 段 区 域 ꎬ 其 它 部 分 都 完 全 匹 配 ꎬ 推 测 这 三 部 分 是 基 因 的 内 含 子 区 域 ꎮ 由 此 获 知 该 基 因 含 有 4 个 外 显 子 ꎬ3 个 内 含 子 ꎬ 这 与 其 他 植 物 血 红 蛋 白 的 基 因 结 构 相 同 ꎮ 说 明 血 红 蛋 白 基 因 的 外 显 子 内 含 子 结 构 在 植 物 进 化 中 是 保 守 的 ꎮ 2.2 全 长 基 因 序 列 及 编 码 蛋 白 的 基 本 性 质 分 析 对 已 获 得 的 克 隆 基 因 进 行 分 析 研 究 后 ꎬ 得 到 水 图 1 特 异 PCR(a) TAIL PCR(b) 琼 脂 糖 电 泳 检 测 M.2000 bp 分 子 量 标 记 ꎻ a 1. 特 异 引 物 F cera 和 R cera 扩 增 得 到 的 大 约 820 bp 的 产 物 ꎻ b II. 引 物 3 TAIL 2 通 过 TAIL PCR 第 二 轮 反 应 得 到 的 条 带 ꎻ b III. 引 物 3 TAIL 3 通 过 TAIL PCR 第 三 轮 反 应 得 到 的 条 带 ꎮ Fig. 1 Agarose gel electrophoresis of the specific PCR(a)ꎬ TAIL PCR(b)products M. Molecular weight marker (DL2000)ꎻ a 1. About 820 bp fragment generated by specific PCR with primer F cera and R ceraꎻ b II. Several bands produced by the secondary reaction of TAIL PCR with primer 3 TAIL 2ꎻ b III. Two clear bands produced by the tertiary reaction of TAIL PCR with primer 3 TAIL 3. Table 1 表 1 序 列 一 致 性 分 析 Analysis of percent sequence identify 序 列 名 称 Sequence name 棉 花 Cotton 拟 南 芥 AHB 拟 南 芥 AHB1 大 麦 Barley 大 麦 Barley 玉 米 Maize 玉 米 Maize 水 稻 Rice 水 稻 Rice 苜 蓿 Alfalfa 苜 蓿 Alfalfa 百 脉 根 Lotus 百 脉 根 Lotus 大 豆 Soybean 大 豆 Soybean 羽 扇 豆 1 Lupinus 羽 扇 豆 1 Lupinus 1 拟 南 芥 Ns2 AHB 拟 南 芥 Ns2 AHB2 棉 花 Ns2 Cotton Ns 棉 花 Ns2 Cotton Ns2 小 立 碗 藓 Physcomitrella 小 立 碗 藓 Phys comi trella 角 齿 藓 Ceratodon 石 松 Selaginellae 水 蕨 Ceratopteris 注 : AHB1 和 AHB2 分 别 代 表 拟 南 芥 非 共 生 血 红 蛋 白 1 和 2ꎻ 代 表 非 共 生 血 红 蛋 白 1ꎻ 代 表 豆 血 红 蛋 白 ( 共 生 血 红 蛋 白 )ꎮ Note: AHB1 and AHB2 represent nonsymbiotic hemoglobin 1 and 2 from Arabidopsis thalianaꎬrespectivelyꎻ indicates nonsymbiotic hemoglobin 1(NsHb 1)ꎻ while indicates leghemoglobin(symbiotic hemoglobin). 角 齿 藓 Cera todon 石 松 Selag inellae 蕨 血 红 蛋 白 ( 命 名 为 CtHb) 基 因 序 列 全 长 ( 图 2) 为 949 bpꎬ 该 基 因 包 括 4 个 外 显 子 和 3 个 内 含 子 ꎬ 编 码 189 个 氨 基 酸 ꎮ 氨 基 酸 组 成 中 含 量 最 高 的 为 丙 氨 酸 ( Alaꎬ )ꎬ 其 次 缬 氨 酸 ( Valꎬ 9. 0 ) 丝 氨 酸 (Serꎬ8.5 ) 亮 氨 酸 ( Leuꎬ7. 9 ) 和 赖 氨 酸 ( Lysꎬ 7.9 )ꎮ 碱 性 氨 基 酸 ( ArgꎬLys) 24 个 ꎬ 强 酸 性 氨 基 酸 (AspꎬGlu)23 个 ꎬ 疏 水 氨 基 酸 ( AlaꎬIleꎬLeuꎬPheꎬ TrpꎬVal)71 个 ꎬ 不 带 电 荷 的 极 性 氨 基 酸 (Asnꎬ Cysꎬ

5 220 广 西 植 物 36 卷 图 2 水蕨血红蛋白基因的核酸序列和推导的氨基酸序列 推导的氨基酸序列标注在开放阅读框下面ꎬ小写字母示内含子部分ꎮ Fig. 2 Nucleotide and deduced amino acid sequences of hemoglobin gene from Ceratopteris thalictroides The predicted amino acid sequence is shown below its open reading frameꎬ and the introns are present in lowercase letters. GlnꎬSerꎬThrꎬ Tyr) 41 个ꎮ 预 测 的 蛋 白 质 分 子 量 为 21.14 kdaꎬ理论等电点( pi) 为 7.81ꎮ 2.3 蛋白质的信号肽预测及亚细胞定位分析 采用 SignalP 对该蛋白序列及其他分类群的代 表序列( 包括苔藓植物 2 条( Physcomitrella patens 和 Ceratodon purpureus) 石松类 1 条( Selaginellae moel lendorfii) 和被子植物 11 条( 具体的物种和序列名称 见表 1) 进行在线搜索ꎬ发现这些蛋白存在信号肽的 概率都极低ꎬ不存在信号肽酶切位点ꎬ说明这些血红 蛋白很可能为非分泌蛋白ꎮ 进一步分析这些蛋白的 亚细胞定位ꎬ发现大部分蛋白是细胞质蛋白ꎬ只有小 立碗藓和江南卷柏的血红蛋白具有较高分值的叶绿 体定位信号ꎬ可能会定位于叶绿体中ꎮ 2.4 序列一致性分析 表 1 给出的是 15 条植物血红蛋白序列两两之 间的一致性指数ꎬ其中包括 2 条苔藓植物序列( Phy scomitrella patens 和 Ceratordon purpureus) ꎬ1 条石松 类植物序列( Selaginellae moellendorfii) ꎬ1 条蕨类植 物序列( Ceratopteris thalictroides) 及 11 条被子植物 序列ꎮ 本研究发现 CtHb 与被子植物 NsHb1 的序列 一致性偏高ꎬ与豆科植物 shb 的序列一致性偏低ꎬ 说明 CtHb 属于 NsHb1ꎻ同时比较 CtHb 和其他分类 群 NsHb 的一致性发现ꎬ与古老的苔藓 石松类植物 的 NsHb 序列相比ꎬCtHb 在进化上更类似于被子植 物 NsHbꎮ 2.5 水蕨血红蛋白高级结构预测 在二级结构预测中ꎬCtHb 主要由 61.38 的 α 螺旋ꎬ 6. 35 的 延 伸 片 层ꎬ 5. 82 的 β 转 角 和 26 46 无规卷曲组成ꎮ 其中 α 螺旋和卷曲是 CtHb 二级结构的主要构成成分ꎮ 了解水蕨血红蛋白的结构性质对于阐明植物血 红蛋白的进化多样性及其在植物中发挥的作用都有

6 2 期 齐小琼等: 水蕨血红蛋白基因的分子克隆和序列分析 221 图 3 a. 预测的 CtHb 三级结构ꎻ b. 选取的 CtHb 血红素口袋中的氨基酸三级结构 每个螺旋分别用字母 AꎬBꎬCꎬEꎬF 和 H 表示ꎮ Fig. 3 a. Predicted tertiary structure of CtHbꎻ b. Tertiary structure of selected amino acids in heme pocket of CtHb Helices (in cluding to prehelix A) are indicated with letters AꎬBꎬCꎬEꎬF and H. 图 4 A. CtHb( 灰色表示) 和水稻 NsHb1( 黑色表示) 三级结构比对图ꎻ B. 选取在 CtHb( 灰色表示) 和水稻 NsHb1( 黑 色表示) 血红素口袋中的氨基酸位点的三级结构比对图 每个螺旋分别用 AꎬBꎬCꎬEꎬF 和 H 表示ꎬ其中( a) 为正面ꎬ( b) 为背面ꎮ Fig. 4 A. Overlay of predicted tertiary structure of CtHb(gray) and native rice NsHb1(black) tertiary structuresꎻ B. Tertiary struc ture overlay of selected amino acids in heme pocket of CtHb(gray) and native rice NsHb1(black) Helices(including to prehelix A) are indicated with letters AꎬBꎬCꎬEꎬF and H. (a) is a front viewꎬwhile (b) is a back view. 着重要的意义ꎮ 通过计算机模拟可以从模板预测出 高质量的蛋白质三级结构ꎬ通过预测出的结构可以 考察血红蛋白的进化模式ꎬ在结构和功能方面理解 进化问题ꎮ 由于 CtHb 和水稻 NsHb1 具有接近 50 的相似性ꎬ所以可以用水稻 NsHb1(1D8UA) 作为预 测 CtHb 三级结构的模板ꎮ 图 3 给出了 CtHb 三维结构模拟结果ꎮ 图中显 示ꎬCtHb 具有植物血红蛋白典型的三级结构模式ꎬ CtHb 三级结构具有典型球蛋白的折叠方式ꎬ它的大 部分结构( 包括具有远端和近端组氨酸定位的 E 和 F 螺旋的位置等) 同水稻的结构非常相似ꎻ不同之处 主要表现在:(1) CtHb 含有较长的 N 端区域ꎻ(2) 两 者 CD loop 的折叠方式不同ꎻ(3) 两者螺旋 B 和螺旋 C 的连接方式不同ꎬCtHb 是通过卷曲连接的ꎬ而水 稻 NsHb1 借助的是螺旋ꎮ 在比对图 5 中ꎬ发现苔藓植物 石松类和蕨类植 即含有 A B C E F G 和 H 螺旋ꎬ形成了 3 on 3 的 物 NsHb 中都含有一段延长的 N 端序列ꎬRoss et al 进行 overlay 比较ꎬ结果如图 4:A 所示:预测得到的 的蛋白位点ꎬ推测植物 NsHb 的祖先可能是定位于 三明治 结构ꎮ 将 CtHb 和水稻 NsHb1 的三级结构 (2002) 在苔藓植物 NsHb 中检测到了类似于前导肽

7 222 广 西 植 物 36 卷 图 5 植物血红蛋白的多序列比对 序列的保守性通过 ESPript 化学等价策略进行可视化ꎬ设置相似性阈值来强调严格保守的位置ꎻ 不变残基添加黑色背景ꎬ理化性质相同的残基用灰色矩形框标注ꎻ 预测的 CtHb 二级结构元件标注在序列比对的最上面ꎮ Fig. 5 Multiple alignment of plant hemoglobins Sequence conservation is visualized according to the ESPript chemical equivalence measureꎬ with a similarity threshold set to emphasize strictly conserved positionsꎻ Invariant residues are boxed in blackꎬ physico chemical equivalent residues are boxed in grayꎻ The deduced secondary structure of CtHb is shown above the alignment. 细胞器中的ꎬ这同软件预测的小立碗藓 NsHb 的亚 细胞定位结果一致ꎮ 推测这段延长的 N 端氨基酸 可能有 助 于 蛋 白 的 转 运 ( Garrocho villegas Arre dondo peterꎬ2008) ꎮ 在 CtHb 中ꎬA 螺旋之前存在较 长的一段序列ꎬ可能与苔藓植物延长的 N 端氨基酸 有着相似的作用ꎬ即与蛋白的转运有关ꎬ但信号肽和 亚细胞定位预测都没有支持这一推断ꎮ 这可能与采 用的生物信息学的预测方法有关ꎬ需要进一步的实 验证据来证明ꎮ 如果这些都被验证是正确的ꎬ那么 从进化的角度讲ꎬNsHb 可能从细胞器的蛋白进化成 了细胞质的蛋白( Ross et alꎬ2002) ꎮ 本研究也检测了参与配基结合的一些重要位点 的氨基酸组成和相对位置( 图 4:B) ꎬ结果表明近端 组氨酸( His) ꎬ 远端组氨酸ꎬ 螺旋 B 第 10 位的苯丙 氨酸 ( Phe ) ꎬ CD loop 第 1 位 的 苯 丙 氨 酸 及 172 / 150 的酪氨酸( Tyr) 在水蕨和水稻NsHb1中都非常一

8 2 期 齐小琼等: 水蕨血红蛋白基因的分子克隆和序列分析 致ꎬ位置完全吻合ꎮ 这表明 CtHb 具有水稻 NsHb1 223 类似的配基结合动力学性质ꎬ即具有很低的 O 2 解离 常数ꎬ很高的 O 2 亲和力ꎮ 4.6 血红蛋白的序列和结构进化 通过将 CtHb 与其他分类群的代表序列比较发 现( 图 5 ) : CtHb 包 含 非 常 保 守 的 近 端 组 氨 酸 ( H95) ꎬ远端组氨酸( H130) 和位于 B 螺旋第 10 位 的苯丙氨酸( F62) ꎻ同时也发现ꎬ在 CD loop 的第 1 位上只有苔藓植物是酪氨酸( Tyr) 而其他物种都是 苯丙氨酸( Phe) ꎮ 这说明 CD1 在非共生血红蛋白的 祖先序列中是被酪氨酸占据的ꎬ而在进化过程中被 苯丙氨酸所取代ꎮ 图 6 不 同 物 种 GGPPS 蛋 白 序 列 的 同 源 比 较 采用Neighbor joining算法ꎬ在mega6软件平台上构 图 6 不同物种的系统进化树 Fig. 6 Phylogenetic tree of different species 图 7 角齿藓 水蕨 水稻非共生血红蛋白和大豆豆血红蛋白三级结构和表面电荷分布比较 带有正电荷和负电荷的氨基酸 分别用蓝色和红色表示ꎻ 小立碗藓的三级结构坐标数据( ID number:pm0075013) 从蛋白质模型数据库( Protein Model Database) ( http: / / mi. caspur.it / PMDB / )下载ꎬ水稻和大豆的三级结构坐标数据(ID numbers:1d8u 和 1BIN)从 RCSB 蛋白质数据库(RCSB Protein Data Bank)下载ꎮ Fig. 7 Comparison of the predicted nonsymbiotic hemoglobin from Ceratodon purpureusꎬceratopteris thalictroidesꎬnative rice NsHb1 and soybean Lba tertiary structures and surface charge distribution Blue and red colors represent positively and negatively charged amino acid residuesꎬrespectivelyꎻ Coordinates for nonsymbiotic hemoglobin from Ceratodon purpureus was obtained from Protein Model Database (http: / / mi.caspur.it / PMDB / )under the ID number PM0075013. Coordinates for the rice NsHb1 and soybean Lba structures were obtained from RCSB Protein Data Bank with the ID numbers 1D8U and 1BINꎬrespectively. 建了植物血红蛋白的分子系统进化树( 图 6) ꎮ 根据 植物血红蛋白从非共生到共生进化过程中的一些关 (Ns1) 古老的血红蛋白( Ns) 组成的分支和非共生 六配位体( Hexacoordinate) 到五配位体( Pentacoordi 序列 的 差 异 分 为 两 大 分 支 非 共 生 血 红 蛋 白 1 血红蛋白 2 ( Ns2) 共生血红蛋白 ( shb) 组成的分 支ꎻCtHb 位于非共生血红蛋白 1 的基部ꎬ说明其可 能是非共生血红蛋白 1 的共同祖先ꎬ并且其进化地 位比古老的苔藓植物血红蛋白稍微高等一点ꎬ这跟 物种的进化关系是吻合的ꎮ 本研究也比较了角齿藓 水蕨 水稻非共生血红 蛋白及大豆的豆血红蛋白三维结构的差异ꎬ揭示了 键改变( 图 7) ꎮ 这些改变包括:( 1) 血红素辅基从 nate) 的转变 ( Gopalasubramaniam et alꎬ2008) ꎻ ( 2) CD loopꎬn 端和 C 端区域长度的缩短ꎻ( 3) 蛋白结 构更加紧凑ꎬ形成球状结构ꎮ 这些改变可能有助于 非共生血红蛋白向共生血红蛋白结构的转变ꎬ 特别 是有助于豆血红蛋白共生功能的实现( Gopalasubra maniam et alꎬ2008) ꎮ ( 下转第 161 页 Continue on page 161 )

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