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摘要：根据GenBank 中已登录的红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物二氢黄酮醇 4-还原酶（DFR）基因的核苷酸序列和氨基酸序列，应用生物信息学软件对其核苷酸序列的外显子、氨基酸序列的理化性质、疏水性/亲水性和跨膜结构等进行了预测。结果表明，这几种植物DFR基因均存在1个外显子，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr；除红花石榴和粉花石榴DFR属于不稳定蛋白外，其余植物均属于稳定蛋白。这几种植物DFR蛋白均为亲水性蛋白，存在明显的疏水区和亲水区以及跨膜结构等。
关键词：石榴；二氢黄酮醇 4-还原酶（DFR）；生物信息学；理化性质；跨膜结构
中图分类号：Q811.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）04-0008-04
基于生物学试验数据，由分子生物学和信息科学技术相结合的生物信息学已成为后基因组时代用于揭示和探索生命奥秘的重要方法[8，9]。本研究采用生物信息学的方法，以石榴为重点，对红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物DFR核苷酸及相应氨基酸序列的外显子、理化特性、亲水性/疏水性和跨膜结构等进行预测和推断，以期为深入开展二氢黄酮醇4-还原酶的酶学特性、花色素苷生物合成的分子机制等提供理论依据。
1材料与方法
11数据
12方法
DFR基因核苷酸序列分析采用在线软件 GENE SCAN 进行；DFR基因编码蛋白的理化性质采用Protparam 预测；疏水性/亲水性采用ProtScale进行预测；跨膜结构域采用 TMPred 预测。各分析软件的网站见表 1。
2结果与分析
21核苷酸序列的外显子分析
一般认为，P 值表示分析结果为外显子的可能性，当 P>099 时为外显子可能性极高；050 22氨基酸序列的理化性质分析
利用在线分析软件Protparam分别对石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物DFR氨基酸序列的理化性质进行分析，结果（表3）表明，这几种植物DFR氨基酸残基数差异较大，分别编码280～1 345个氨基酸残基不等。几种植物的分子量大小差异也较大，粉花石榴DFR分子量最小为36 2487 D，姜荷花DFR分子量最大为108 3167 D。等电点PI差异较小，均在5左右。几种植物中，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr，带正电荷和负电荷氨基酸数均为0。通常不稳定系数小于 40 时，预测对应蛋白质在试验中比较稳定，反之则不稳定。因此，除粉花石榴和红花石榴中DFR属于不稳定蛋白质外，其余均属于稳定蛋白。
23疏水性/亲水性的预测与分析
利用在线分析软件ProtScale的Kyte and Doolittle算法对二氢黄酮醇还原酶进行疏水/亲水性分析（正值表示疏水性，负值表示亲水性，介于+05～-05 之间主要为两性氨基酸）。结果（表4）表明，红花石榴（图1，其它几种植物的图片分析结果未列出）和粉花石榴的DFR蛋白存在明显的疏水区和亲水区，其中第141位最低，为-0222，第216位最高，值为2022，为亲水性蛋白。
3讨论与结论
通过在线分析工具和生物软件对红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物进行分析，结果表明这几种植物的DFR基因都存在1个外显子。氨基酸序列的理化性质分析表明，粉花石榴和红花石榴的二氢黄酮醇还原酶蛋白属于不稳定蛋白，其余几种植物属于稳定性蛋白。几种观赏植物DFR基因中，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr，这与陈大志等[8]在拟南芥等植物上得到的含量最丰富的氨基酸基本均为Ala、Glu、Leu、Lys和Val不一致，可能与物种自身的特性有关。除红花石榴和粉花石榴外，其它植物的蛋白质均为稳定蛋白质。
疏水性是20种氨基酸都固有的特性，即氨基酸远离周围水分子，将自己包埋进蛋白质核心的相对趋势，通过了解肽链中不同肽段的疏水性，可以对跨膜蛋白的跨膜结构域进行预测[11]。因此，疏水性/亲水性的预测和分析，对蛋白二级结构的预测及功能结构域的分选提供了重要的参考依据。本试验结果表明，几种植物DFR蛋白中亲水性氨基酸和疏水性氨基酸均匀分布在整条肽链中，亲水性氨基酸多于疏水性氨基酸，均为亲水性蛋白，存在疏水区和亲水区，疏水位点和亲水位点个数不同，这与肖继坪等[12]在马铃薯上的研究结果一致。
跨膜结构是蛋白质通过与膜内在蛋白的静电相互作用和氢键键合作用与膜结合的一段氨基酸片段，一般由 20 个左右的疏水性氨基酸残基组成，主要形成α- 螺旋[13～14]。本试验结果表明，几种植物DFR蛋白存在强烈推荐和可选择2种跨膜模型，存在不同数量的跨膜螺旋，这为正确认识和理解蛋白质的功能、结构、分类、方位及细胞中的作用部位等均有重要的意义。
参考文献：
[1] Winkel-Shirley B Flavonoid biosynthesis A colorful model for genetics， biochemistry， cell biology and biotechnology [J] Plant Physiol， 2001， 126（2）： 485-493
[2]李云， 卢其能， 赵昶灵， 等 二氢黄酮醇4-还原酶基因的结构与功能研究[J] 安徽农业科学， 2011， 39（26）： 15858 -15859， 15861 [3]刘娟， 冯群芳， 张杰 二氢黄酮醇4-还原酶基因（DFR）与花色的修饰[J] 植物生理学通讯， 2005， 41（6）： 715-719
[4]李春雷，崔国新，许志茹， 等植物二氢黄酮醇4-还原酶基因的研究进展[J]生物技术通讯，2009，20（3）：442-445
[5]O’Reilly C， Shepherd N S， Pereira A， et al Molecular cloning of the allocus in Zea mays using the transposable elements En and Mul[J] EMBO J， 1985，4（4）： 877-882
[6]Nakatsuka A， Izumi Y， Yamagishi M Spatial and temporal expression of chalcone synthase and dihydroflavonol 4 - reductase genes in the Asiatic hybrid lily[J] Plant Science， 2003， 165（4）： 759-767
[7]Fukusaki E， Kawasaki K， Kajiyama S， et al Flower color modulations of Torenia hybridaby downregulation of chalcone synthase genes with RNA interference[J] J Biotechnol， 2004， 111（3）： 229-240
[8]陈大志， 周嘉裕， 李萍 二氢黄酮醇4-还原酶的生物信息学分析[J] 生物技术通报， 2010， 12： 206-212
[9]孟鹏， 李根英， 陈国强， 等 向日葵抗坏血酸过氧化物酶的电子克隆和生物信息学分析[J] 山东农业科学， 2012， 44（6）：1-6
[10]付海辉， 辛培尧， 许玉兰， 等 几种经济植物UFGT基因的生物信息学分析[J] 基因组学与应用生物学， 2010， 30（1）：92-102
[11]李嵘， 王品之 植物萜类合成酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的生物信息学分析[J] 广西植物， 2006，5：464-473
[12]肖继坪， 王琼， 郭华春 彩色马铃薯二氢黄酮醇4 -还原酶（DFR）基因的克隆及生物信息学分析[J] 分子植物育种， 2011， 9（6）： 728-735
[13]王镜岩， 朱圣庚， 徐长法 生物化学（第三版）[M] 北京： 中国高等教育出版社， 2002
[14]郑玲， 霍雪寒， 王芙蓉， 等 陆地棉两个GhBI -1基因的生物信息学分析[J] 山东农业科学， 2011，3：4-7
关键词：石榴；二氢黄酮醇 4-还原酶（DFR）；生物信息学；理化性质；跨膜结构
中图分类号：Q811.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）04-0008-04
基于生物学试验数据，由分子生物学和信息科学技术相结合的生物信息学已成为后基因组时代用于揭示和探索生命奥秘的重要方法[8，9]。本研究采用生物信息学的方法，以石榴为重点，对红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物DFR核苷酸及相应氨基酸序列的外显子、理化特性、亲水性/疏水性和跨膜结构等进行预测和推断，以期为深入开展二氢黄酮醇4-还原酶的酶学特性、花色素苷生物合成的分子机制等提供理论依据。
1材料与方法
11数据
12方法
DFR基因核苷酸序列分析采用在线软件 GENE SCAN 进行；DFR基因编码蛋白的理化性质采用Protparam 预测；疏水性/亲水性采用ProtScale进行预测；跨膜结构域采用 TMPred 预测。各分析软件的网站见表 1。
2结果与分析
21核苷酸序列的外显子分析
一般认为，P 值表示分析结果为外显子的可能性，当 P>099 时为外显子可能性极高；050
利用在线分析软件Protparam分别对石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物DFR氨基酸序列的理化性质进行分析，结果（表3）表明，这几种植物DFR氨基酸残基数差异较大，分别编码280～1 345个氨基酸残基不等。几种植物的分子量大小差异也较大，粉花石榴DFR分子量最小为36 2487 D，姜荷花DFR分子量最大为108 3167 D。等电点PI差异较小，均在5左右。几种植物中，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr，带正电荷和负电荷氨基酸数均为0。通常不稳定系数小于 40 时，预测对应蛋白质在试验中比较稳定，反之则不稳定。因此，除粉花石榴和红花石榴中DFR属于不稳定蛋白质外，其余均属于稳定蛋白。
23疏水性/亲水性的预测与分析
利用在线分析软件ProtScale的Kyte and Doolittle算法对二氢黄酮醇还原酶进行疏水/亲水性分析（正值表示疏水性，负值表示亲水性，介于+05～-05 之间主要为两性氨基酸）。结果（表4）表明，红花石榴（图1，其它几种植物的图片分析结果未列出）和粉花石榴的DFR蛋白存在明显的疏水区和亲水区，其中第141位最低，为-0222，第216位最高，值为2022，为亲水性蛋白。
3讨论与结论
通过在线分析工具和生物软件对红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物进行分析，结果表明这几种植物的DFR基因都存在1个外显子。氨基酸序列的理化性质分析表明，粉花石榴和红花石榴的二氢黄酮醇还原酶蛋白属于不稳定蛋白，其余几种植物属于稳定性蛋白。几种观赏植物DFR基因中，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr，这与陈大志等[8]在拟南芥等植物上得到的含量最丰富的氨基酸基本均为Ala、Glu、Leu、Lys和Val不一致，可能与物种自身的特性有关。除红花石榴和粉花石榴外，其它植物的蛋白质均为稳定蛋白质。
疏水性是20种氨基酸都固有的特性，即氨基酸远离周围水分子，将自己包埋进蛋白质核心的相对趋势，通过了解肽链中不同肽段的疏水性，可以对跨膜蛋白的跨膜结构域进行预测[11]。因此，疏水性/亲水性的预测和分析，对蛋白二级结构的预测及功能结构域的分选提供了重要的参考依据。本试验结果表明，几种植物DFR蛋白中亲水性氨基酸和疏水性氨基酸均匀分布在整条肽链中，亲水性氨基酸多于疏水性氨基酸，均为亲水性蛋白，存在疏水区和亲水区，疏水位点和亲水位点个数不同，这与肖继坪等[12]在马铃薯上的研究结果一致。
跨膜结构是蛋白质通过与膜内在蛋白的静电相互作用和氢键键合作用与膜结合的一段氨基酸片段，一般由 20 个左右的疏水性氨基酸残基组成，主要形成α- 螺旋[13～14]。本试验结果表明，几种植物DFR蛋白存在强烈推荐和可选择2种跨膜模型，存在不同数量的跨膜螺旋，这为正确认识和理解蛋白质的功能、结构、分类、方位及细胞中的作用部位等均有重要的意义。
参考文献：
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[2]李云， 卢其能， 赵昶灵， 等 二氢黄酮醇4-还原酶基因的结构与功能研究[J] 安徽农业科学， 2011， 39（26）： 15858 -15859， 15861 [3]刘娟， 冯群芳， 张杰 二氢黄酮醇4-还原酶基因（DFR）与花色的修饰[J] 植物生理学通讯， 2005， 41（6）： 715-719
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[8]陈大志， 周嘉裕， 李萍 二氢黄酮醇4-还原酶的生物信息学分析[J] 生物技术通报， 2010， 12： 206-212
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[11]李嵘， 王品之 植物萜类合成酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的生物信息学分析[J] 广西植物， 2006，5：464-473
[12]肖继坪， 王琼， 郭华春 彩色马铃薯二氢黄酮醇4 -还原酶（DFR）基因的克隆及生物信息学分析[J] 分子植物育种， 2011， 9（6）： 728-735
[13]王镜岩， 朱圣庚， 徐长法 生物化学（第三版）[M] 北京： 中国高等教育出版社， 2002
[14]郑玲， 霍雪寒， 王芙蓉， 等 陆地棉两个GhBI -1基因的生物信息学分析[J] 山东农业科学， 2011，3：4-7