马尔尼菲青霉菌溶血磷脂酶基因的识别
和序列分析及功能预测
李凌华胡凤玉 陈万山 宋伟南蔡卫平唐小平
【摘要】 目的从马尔尼菲青霉菌(PM)酵母相全长cDNA文库中识别溶血磷脂酶基因,预测其结构
和功能,为进一步实验研究提供理论依据。
利用NCm在线分析工具对PM酵母相全长cDNA文库进
行筛选,识别溶血磷脂酶基因;通过v∞研N11鲥te8.O软件包,对其编码蛋白质的各种结构与功能特征进
行预测,并构建种系分子进化树。结果筛选得到韵基因长1014bp,Blasb【分析该基因可能是编码PM溶血
磷脂酶的全长基因,完整的开放读码框(啪’)共含729bp,编码243个氨基酸;其编码蛋白的相对分子质量
为26800,预测等电点为5.49,疏水氨基酸占47.7%,亲水氨基酸占26.8%,酸性氨基酸占12.7%,碱性氨
基酸占12.8%;该蛋白有潜在的2个酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点、3个蛋白激酶c磷酸化位点和7个N.肉豆
蔻酰位点。结论该氨基酸序列属于溶血磷脂酶样功能域特征蛋白酶;与球孢子菌亲源关系最近。通过研
究,一个PM溶血磷脂酶基因被成功发现,这为进一步探讨该基因的功能提供了条件。
【关键词】溶血磷脂酶;马尔尼菲青霉菌;生物信息学
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DoI:10.3760/锄.j.i瘩啊1.16734149.2011.∞.∞l
基金项目:国家十一五科技重大专项课
(加鸺zXlO∞l瑚8);广东省自然科学基金(1015100印0200∞00);广州市卫生局
医药卫生科技重点项目(2009-zDi-016)
‘
作者单位:510060广州医学院附属市八人民医院感染病科
通信作者:唐小平,Bmail:xia叩岫≠锄g睁@yaI-∞.嗍
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马尔尼菲青霉菌(PM)是我国南方地区艾滋病
患者重要的机会性致病真菌¨引。该菌具有强侵袭
力,经呼吸道、消化道或皮肤破损进人人体后,主要
侵犯单核.巨噬细胞系统而引起播散性感染[3|。若
患者没有获得及时的诊断和治疗,死亡率极高。迄
今为止,有关PM的致病机制,国内外研究甚少。最
近研究发现,溶血磷脂酶参与真菌分解宿主细胞膜
磷脂,可引起宿主细胞膜的通透性增高和完整性受
损,从而促进真菌的侵入,在其感染早期发挥重要作
用[矧。因此,研究溶血磷脂酶基因及其编码的蛋
白,有望成为研究PM致病机制的重要切入点。我
们已成功构建艾滋病患者PM临床优势株酵母相全
长cDNA文库,并在此基础上对其功能基因组开展
全面的研究【7|。本文经Blas仅从文库中识别出PM
溶血磷脂酶基因的全长编码基因,对其进行生物信
息学分析,预测其理化性质、结构和功能特征,分析
其种系进化规律,为进一步克隆表达基因,探讨溶血
磷脂酶在PM致病中的作用提供理论依据。
材料与方法
一、材料
艾滋病患者PM临床优势株酵母相全长cDNA
文库,由本课题组构建。文库载体为pDONR222
(MtID静l公司),文库的大规模测序由上海In访t嘴n
公司完成,Unigene通过Washingt(m大学的Wu—bl鹤t
程序(版本2.0)进行识别。编码溶血磷脂酶的文库
质粒编号为fy79.1368。
二、方法
1.文库的筛选及目的基因的获取
用Wu.bl鹊仅方法对57端测序结果进行同源性
分析。对于同源性分析结果,依据200cp、95%的标
准进行Uni靴归并;对3’端测序结果,也依据以上
进行归并。使用P蝴砸D(版本0.99cr722c)和
P|乳心(版本O.990329)程序对有3’端测序结果的
克隆进行序列拼接。拼接后的序列利用NcBI站点
的BLASrI’x、BI.ASnl、BLAS珏'p(http://www.ncbi.nh茂.
nill.伊v/BLAsr)分别在核苷酸及蛋白水平上与Gen.
BarIl【中的序列进行在线对比分析,同时判断该基因
是否系全长基因,目的基因序列测序是否正确。
2.基因的识别与功能预测
用Vec研Nrll觚te8.0中的开放读码框(ORF)
Finder确定其完整的编码序列(cds),用Tms“帆程
序推导并输出氨基酸序列。在NCBI站点上寻找
ORF,通过‰torNⅡ8.0软件包和蛋白分析专家系
统Exp鹪y所提供的蛋白组学和序列分析工具对推导
的蛋白进行结构与功能预测。(1)n砒缸珊:预测蛋
白的理化性质,如相对分子质量、等电点、氨基酸组
成、摩尔消光系数、重组产物在细菌、酵母和哺
乳动物细胞中的半衰期及在溶液中的稳定性等。
(2)Moti氐arI:预测蛋白一级结构中的糖基化、脂酰
化、磷酸化、硫酸化、糖基化磷脂酰肌醇(GPI)锚着位
点等修饰位点和模序。(3)Ta孵tP:分析亚细胞定位
序列等特征序列,包括:预测蛋白质是否具有信号肽
(Si朗alP)。(4)Inte肌sc锄:扫描蛋白一级结构中包
含的结构和功能域特征序列。(5)PredictProlein:预
测氨基酸序列的跨膜区和拓扑结构以及二级结构、
分子的亲水性、溶液中的分子形态等。(6)S丽ss.咖deI:
通过二级结构比对和折叠,模拟或模建蛋白的三维
空间构象。
3.分子进化树的构建
将分析所得的同源氨基酸序列进行编排,利用
VectorNH鲫ite8.0软件包中的mi碳,对PM溶血
磷脂酶与GenBank中其他物种的同源蛋白序列进行
比对分析,构建分子进化树。
结 果
一、基因识别和序列分析
根据获得的uIIigene序列,用BIASlln和BI。Asrrx
进行比对分析,判断是否为未知基因,从而筛选出
PM未知基因P79.1368。将该基因的氨基酸序列输
入NcBI数据库进行同源性比较,发现其GenBaIll【中
的球孢子菌的溶血磷脂酶具有较高的同源性,由此
判断该基因是溶血磷脂酶的同源基因。该基因全长
1014bp,在5’端和3’端都有非
区,可能包含PM
溶血磷脂酶的全长基因序列。ORFFinder分析发现
其含6个可能的ORF,其中最长的ORF从第78到
第809bp,起始密码子为ATG,终止密码子为TGA,
完整ORF含729bp,编码243个氨基酸。
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表l PM溶血磷脂酶与其他生物来源溶血磷脂酶的
氨基酸序列同源性比较
项目嚣警萎誓葶裂猕猴牛人家蚕誓小鼠
分值306223175175176172170170l国l胡167
一致性(%)6446 4l 42 40 40 4040勰4l40
相似性(%)746l 59 56鳃58’5858 59 58 57
注:PM为马尔尼菲青霉菌
二、蛋白结构和功能预测
1.蛋白的物理化学性质预测
对P79.1368编码的溶血磷脂酶的物理化学性质
预测显示:其理论相对分子质量为26800,预测等电
点(pI)为5.49,疏水氨基酸占47.7%,亲水氨基酸占
26.8%,酸性氨基酸占12.7%,碱性氨基酸占
12.8%。分子式为C1214HI铂IN3130blSlo。280脚处的
摩尔消光系数为28伽L·啪lo·cfIl~,0.1%浓度
(1g/L)的‰为1.06l。当蛋白序列的N端为蛋氨
酸时,该酶在哺乳动物网状红细胞体外表达的半衰
期为30h,在酵母体内表达的半衰期大于20h,在大
肠埃希菌体内表达的半衰期大于10h,在溶液中的
不稳定指数为47.24,高于阈值(40),在溶液中性质
不稳定。疏水指数为78.72,总亲水性一0.294,蛋白
总体疏水性较高。
2.蛋白功能位点的预测
Motifsc肌分析显示:PM溶血磷脂酶含有2个潜
在的酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点:43~46雒、
236—239姐;3个潜在的蛋白激酶C磷酸化位点:
2—4勰、194~196龃、209。21l龅;7个潜在的N.肉
豆蔻酰位点:24—29硇、34—39祖、94—99强、113一
118龃、127.132勰、143。148锄、212~217髓;2个
潜在的环腺苷酸磷酸化位点:13一16雒、40~43龃;
1个潜在的G倪I位点:216~243匏;一个酯酶位
点(Este溉):17—140锄;1个自水解酶位点
(m)hydmlase):5—233融。
3.亚细胞定位 .
该蛋白可能含有细胞外锚定序列,但不含分泓
信号肽。
4.蛋白一级结构中包含的结构和功能域特征
序列
功能域特征分析显示,该氨基酸序列属于溶血
磷脂酶样功能域特征蛋白酶,其中l一236龃含邢
水解酶的功能域(AbhyolIolase),6—23l舳含有磷脂
酶或(羧酸)酯酶的功能域,46—235艇含溶血磷脂
酶I的功能域(Lys叩h嗍)h‘)lipaseI),见图l。
5.蛋白的二级结构及拓扑结构
PredicⅡ,ro【ein预测其a螺旋、B折叠和无
卷
曲的比例分别是:27.98%、16.46%、55.56%,该蛋白
的二级结构以无规卷曲为主。预测蛋白的溶剂可及
性,氨基酸残基表面暴露超过16%的定义为暴露氨
基酸(e),其余的称作包埋氨基酸(b);从分析结果
看,该蛋白中53.09%的氨基酸残基暴露在溶液界
面,46.9l%的氨基酸残基包埋在蛋白内部,e和b的
比例大致相当,见图2。
MSYRAPFWP^I珏HT^WT姒HcLGnSG^G吖GL^0肼躲RS髓髓VSFIFPN^糟IPI
髓 EEEEEEHHH删删H删H舢髓E髓
eee eeeeebbbbbbbbbeb ebbebe ebeebbbbbbbe
Tv删硼TMPG盯DI_^lILGQ蹦DFEE^口账QDEP6ILKSRDyINGLI旺E工DK6I^PSRII
EEEE删H删唧唧删删H删删E比
bbbbbbbb b eeee eeeeeeebeebebbbbeebeeebeebb
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H唧删H咖唧 EEE髓删删H咖HHH唧
eebeebbebbebbeeebebbbbbeebebeb ebbeebeeeeeeeeee
注:e:暴鼹氨摹酸;b:包埋氨基酸
圈2马尔尼菲青霉菌溶血磷脂酶的二级结构和溶剂可及性(亲水性)
圈l 马尔尼菲青霉菌溶血磷脂酶一级结构中的功能域
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6.蛋白的三维结构图
S丽睁咖del将PM溶血磷脂酶与蛋白结构数据
库中的蛋白质三维结构进行匹配,输回模拟的三维
结构图(1.235勰),见图3。
圈3马尔尼菲青霉菌溶血磷脂酶(1—235勰)三维结构
三、分子进化树的构建
对PM与其他11个物种溶血磷脂酶的氨基酸序
列进行分子进化树的构建,包括真菌球孢子菌(C.
肿涨k托)、稻瘟菌(肘.卯砒),多细胞低等生物日本
血吸虫(S.脚溅)、罗阿丝虫(锄加),无脊椎动
物桑蚕(曰.瑚玎)、刺舌蝇(G.脚措施瑚),低等脊椎
动物非洲蟾蜍(‰唧嬲),哺乳类动物小家鼠(肘.
ml硼以吣)、牛(口.钯删)、猕猴(JjIf.m比抛)及人类
(日.s印溉),结果显示,PM溶血磷脂酶与球孢子菌
溶血磷脂酶在进化上属同一分支,与非洲蟾蜍、牛、
猕猴的进化关系最远,见图4。
蚕(O.2752)
期舌蝇(0.32儿)
球孢子蕾(O.2231)
’P79一1368(O.2338)
瞌菌(O.4073)
日奉血吸虫(0.6354)
L——————一罗阿丝虫(O.4194)
r^类(0.0044)
o小家鼠(0.O¨3) ·
’牛(0.0316)
-猕猴(O.0368)
。非洲■埝(0.1076)
注:PM:马尔尼菲青霉菌;P79.13醴:PM的未知基因
圈4 PM溶血磷脂酶与其他物种溶血磷脂酶的分子进化树
讨 论
溶血磷脂酶是多种致病性真菌,例如白色念珠
菌、烟曲霉和新型隐球菌重要的毒力因子㈨o|,越来
越引起人们的关注。PM是一种温度双相性机会性
致病真菌,对艾滋病患者具有很强的侵袭力。由于
目前PM的全基因组序列仍不清楚,对PM潜在致病
因子的溶血磷脂酶了解甚少,我们从2009年开始启
动系统的艾滋病患者PM优势株功能基因组学研
究,建立了PM临床优势株酵母相全长cDNA质粒文
库【7|,着力于研究溶血磷脂酶等毒力因子在PM致
病机制中的作用。
生物信息学是一门研究生物信息的交叉学科,
综合了计算机科学、信息技术、数学、物理及化学等
领域的理论和方法,是研究生命起源、进化、遗传和
发育最有效的方法之一【11]。’其主要内容包括核苷
酸和氨基酸序列分析,新基因的发现和蛋白结构的
预测等。本研究利用一些操作简便、功能强大、分析
比较准确的分析软件和程序包,对聊溶血磷脂酶
基因及其编码蛋白的结构和功能进行了较为全面的
生物信息学分析,初步理论预测其结构特征、理化性
质及功能,并从氨基酸序列的差异分析生命演化过
程中基因的变异及进化规律,为进一步的功能研究
寻找线索。
我们从构建的PM酵母相全长cDNA质粒文库
中识别出溶血磷脂酶样的全长基因序列,其编码的
氨基酸序列与球孢子菌的溶血磷脂酶氨基酸序列一
致性最高,达“%,相似性达74%,是溶血磷脂酶的
同源基因。蛋白理化性质推测该基因编码的蛋白理
论相对分子质量约26800,pI为5.49,以疏水氨基
酸为主(47.7%),总体疏水性较高(疏水指数
78.72),在溶液中性质不稳定(不稳定指数47.24)。
因此,当克隆表达和纯化此蛋白时,需要考虑其理化
特性,采取相应对策增加表达纯化蛋白的稳定性。
蛋白功能位点分析显示,该基因编码的蛋白含有潜
在的酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点和蛋白激酶C磷酸化
位点,说明该蛋白属于溶血磷脂酶家族。基于溶血
磷脂酶在真菌侵袭人体中的重要作用,此蛋白酶可
能成为潜在的药物作用靶标。功能域特征分析显
示,该基因编码的蛋白包括磷脂酶或(羧酸)酯酶的
功能域和溶血磷脂酶I的功能域,再次证实该蛋白
是具有溶血磷脂酶样功能域特征的蛋白酶,而且说
明溶血磷脂酶相关位点及催化位点高度保守,适合
用于研究物种进化。从蛋白的二级和三级结构图
看,PM溶血磷脂酶形成p转角和口螺旋的氨基酸序
列比较保守,使得各物种溶血磷脂酶的各个肽段形
垦匿速堑盈堂篮鎏盈堂塑查垫!!生!旦筮塑鲞蔓!塑!熊』巫蜊!堡型堕:纽鲤垫!!:!生:塑:№:2
成比较一致的折叠。这是各物种的溶血磷脂酶空间
构象相似的基础。
构建的分子进化树显示,所有物种的溶血磷脂
酶起源于同一个始祖分子,PM溶血磷脂酶与球孢子
菌溶血磷脂酶的亲源关系最近,与非洲蟾蜍、牛、猕
猴溶血磷脂酶的进化关系最远。该分子进化树基本
符合脊椎动物的种系进化次序,但蛋白在进化上与
哺乳类动物比与低等脊椎动物(非洲蟾蜍)更接近,
这可能与PM感染寄生于哺乳类动物,尤其人类和
小鼠相关。溶血磷脂酶分成I型和Ⅱ型,至于我们
得到的PM溶血磷脂酶属于I型还是Ⅱ型,有待进
一步酶活性鉴定。
综上所述,利用生物信息学方法对PM溶血磷
脂酶基因的结构和功能进行预测,为进一步对该基
因进行克隆、表达及可溶性重组蛋白的纯化,研究该
蛋白的功能及其在PM致病中的作用提供了可靠的
理论依据。
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coccaipllospholipa鸵BIisa印urce0fsec陀ted肌zymemldadet枷-
Ⅻt0fcell讪iI蜊ty.J酬a踯。砌。勰2(52):7滩
7514.
黄科,曹家树.生物信息学.情报学报,20吆,2l(4):491-496.
(收稿日期:20ll舵.13)
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中华医学杂志英文版编辑部
2011年3月
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