细菌几丁质酶结构、功能及分子设计的研究进展

几丁质是仅次于纤维素的第二大天然多糖，由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合而成，具有重要的应用价值。自然界中几丁质可被细菌高效降解。细菌可分泌多种几丁质降解酶类，主要分布在GH18家族和GH19家族中。细菌中几丁质降解酶基因存在明显的基因扩增及多结构域组合现象，不同家族、不同作用模式的几丁质酶系协同作用打破复杂的抗降解屏障，完成结晶几丁质的高效降解。因此，深入分析细菌几丁质酶结构与功能，对几丁质高效降解与高值转化应用具有重要意义。本文介绍了细菌几丁质酶的分类、结构特点与催化作用机制；总结了不同细菌胞外几丁质降解酶系的协同降解模式；针对几丁质酶家族分子改造的研究进展，展望了以结构生物信息学及大数据深度学习为基础的蛋白质工程设计策略在今后改造中的作用，为几丁质酶的设计与理性改造提供新的视角与思路。     

金纹细蛾几丁质酶基因生物信息学分析

本文从生物信息学角度对克隆获得的金纹细蛾几丁质酶进行分析,通过课题组提交到GenBank的数据,采用在线分析及相应软件分析预测金纹细蛾几丁质酶(LrCHI)基因核苷酸和氨基酸序列的组成、理化性质、信号肽、糖基化位点、磷酸化位点、疏水性、二级结构和三级结构等,并构建系统发育树。结果表明:LrCHI开放阅读框由1737bp组成,推导578个氨基酸;此序列所编码的蛋白属于几丁质酶18家族,其N端含有信号肽和几丁质酶18家族活性位点,C端为几丁质结合区,无跨膜结构域区域;预测LrCHI为亲水性蛋白;金纹细蛾与鳞翅目的棉铃虫、甜菜夜蛾进化关系最近。分析结果可为LrCHI的科学研究提供有价值的信息,为进一步研究其高级结构与功能的关系提供理论依据。     

致倦库蚊Cecropin基因家族的比较和系统发育分析

利用生物信息学方法比较分析了致倦库蚊Cecropin家族4成员的基因结构、氨基酸序列、蛋白理化特性,预测蛋白空间结构,并基于7种昆虫绘制分子进化树,随后使用RT-PCR方法获取致倦库蚊Cecropin家族4成员的c DNA。结果表明:致倦库蚊Cecropin家族基因有两条正向编码,两条反向编码,长度为330~544 bp,由2个外显子和1个内含子构成;氨基酸序列长度为59~61 aa,具有两条基序和多个保守位点;编码的蛋白理论分子量为6 284.6~6 619.0 k D,p I值为10.36~11.24,亲水性平均系数为0.393~0.551;蛋白预测的二级结构和三级结构结果基本一致,它们具有1个信号肽结构域和1个催化结构域,结构域主要由α-螺旋构成;7种昆虫的Cecropin蛋白进化关系与物种进化关系基本一致,并以"目"或"亚目"为单位分别聚类,CPIJ005108与致倦库蚊Cecropin祖先基因最相似。本研究的分析结果可为蚊科Cecropin结构和功能的研究提供有价值的信息。     

棘孢木霉糖苷水解酶3基因家族的生物信息学及表达模式分析

【背景】糖苷水解酶(glycoside hydrolase, GH) 3基因家族成员主要编码胞外β-葡萄糖苷酶,是纤维素降解中的关键酶。【目的】鉴定棘孢木霉GH3基因家族成员,探究其在纤维素降解过程中转录水平的表达模式。【方法】通过生物信息学方法对棘孢木霉GH3基因家族成员进行鉴定,对其基因结构、系统进化、蛋白理化性质、亚细胞定位及蛋白质三级结构进行分析,并采用荧光定量PCR技术对纤维素诱导下转录水平的表达模式进行综合分析。【结果】棘孢木霉基因组共鉴定到16个GH3基因家族成员,含有1-8个外显子,编码蛋白质长度为533-934个氨基酸,分子量为57.82-101.91 kDa,大多数为胞外蛋白。系统发育表明,该基因家族成员可分为4组,与里氏木霉的相似性较高。基因表达模式分析表明,纤维素诱导下,16个GH3基因均有表达,但不同成员在转录水平的表达存在差异。其中,1个基因呈组成型表达,2个基因表达下调,13个基因表达上调。棘孢木霉的胞外β-葡萄糖苷酶活力在纤维素诱导下明显提升,与GH3基因家族成员在转录水平的整体表达模式相一致。【结论】棘孢木霉基因组共包含16个GH3基因家族成员,而且多...     

杀鱼假交替单胞菌C923几丁质酶基因PpchiC的克隆表达与酶学性质

【背景】某些假交替单胞菌可分泌几丁质酶,在降解利用几丁质为水产动物提供营养、免疫、抗病等方面有着重要潜力。【目的】克隆杀鱼假交替单胞菌(Pseudoalteromonas piscicida)C923的一个几丁质酶基因,实现其在大肠杆菌中的异源表达,并对重组几丁质酶的酶学性质进行研究。【方法】从菌株C923测序的基因组中注释到一个几丁质酶家族基因PpchiC,设计引物克隆该基因后进行生物信息学分析;构建载体进行异源表达并从温度、时间与诱导剂浓度进行表达优化;对表达蛋白进行最适温度与pH等酶学性质研究,同时比较了重组菌破碎后上清与沉淀及纯化的酶蛋白对几丁质的降解效应。【结果】基因PpchiC长1350bp,编码450个氨基酸,PpchiC蛋白理论分子量为48.76kDa,等电点为4.78,不稳定系数为29.08。结构域分析发现该蛋白含有一个类型Ⅲ几丁质结合域和一个糖苷水解酶18家族(glycosyl hydrolase 18,GH18)的催化域;PpchiC蛋白含有GH18家族几丁质酶的保守催化基序DxxDxDxE、YxR和[E/D]xx[V/I]。16℃、0.25mmol/L IPTG、诱导12h为其最优化表达条件,PpchiC在50℃、pH8.0时表现出最大酶活性;以胶体几丁质为底物时,PpchiC的K_m值为2.58mg/mL、V_max值为5.04mg/(mL·min)。降解结果表明,菌体的沉淀与上清及从上清中纯化的酶蛋白均有着较好的几丁质降解效应。【结论】杀鱼假交替单胞菌C923基因PpchiC编码GH18家族的几丁质酶,能被大肠杆菌高效表达且降解几丁质效应明显,这为PpchiC及菌株C923的应用提供了参考依据。     

致倦库蚊几丁质酶家族基因的鉴定与分析

利用生物信息学方法鉴定致倦库蚊23条几丁质酶基因,并对它们进行命名、分组,以及基因结构、蛋白结构域、蛋白理化特性和系统发育分析,随后使用q PCR方法检测Cq Cht10在致倦库蚊生长各时期的相对表达量。结果表明,致倦库蚊几丁质酶基因长度为1 360~19 218 bp,蛋白长度为353~2 681 aa,分子量为39.557~279.503 k D,等电点为4.76~8.69。它们属于GH18家族,每条几丁质酶包含信号肽区域、催化结构域、几丁质结合域和连接区域,但包含的数量不同。此外,每条几丁质酶的催化结构域均包含保守序列FDGXDLDWEYP。本研究将致倦库蚊几丁质酶划分为12组,组Ⅰ~组Ⅶ沿用早期研究的分组标准,此外将组Ⅷ更名为组Ⅸ,再新增4个分组。Cq Cht10的q PCR实验结果显示,该基因在Ⅱ龄~Ⅳ龄幼虫期呈高表达,在蛹期和成虫期呈低表达,而在卵期和Ⅰ龄幼虫期呈微量表达,此外在雌蚊和雄蚊中无显著差异表达,提示该基因与致倦库蚊的蜕皮相关,且与性别关联不大。本研究的分析结果能够为致倦库蚊几丁质酶基因的功能研究提供有价值的信息。     

香蕉几丁质酶基因家族的鉴定及在枯萎病侵染时的表达分析

几丁质酶(CHi,Chitinase)是一种能够催化真菌细胞壁中几丁质水解的病程相关蛋白,在植物与真菌互作中起着重要的作用。本研究以拟南芥几丁质酶基因的蛋白序列为查询序列,在香蕉A基因组数据库中进行BLASTp比对,鉴定出23个香蕉几丁质酶(MaCHi,Musa chitinase)基因家族成员。根据其染色体上的位置,分别命名为MaCHi01～MaCHi23。系统进化树分析表明23个MaCHis可分为糖苷水解酶18(GH18,glycosyl hydrolase 18)和糖苷水解酶19(GH19,glycosyl hydrolase 19)2个亚家族。转录组数据分析表明接种尖孢镰刀菌古巴专化型热带4号生理小种(Foc TR4,Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4)后MaCHi05、MaCHi06、MaCHi07、MaCHi11、MaCHi19和MaCHi20基因在感病品种巴西蕉中显著下调或不表达,在抗病品种GCTCV-119中显著上调。利用RT-qPCR技术对MaCHi05、MaCHi06、MaCHi07、MaCHi11和M...     

东方百合‘索邦’几丁质酶基因的克隆与表达分析

为探究百合几丁质酶在灰霉病抗性中的功能,该研究以高抗品种东方百合‘索邦’(Lilium oriental hybrid ‘Sorbonne’)接种灰霉菌12 h后的叶片为材料,采用反转录PCR的方法克隆到1个几丁质酶基因成员,并命名为LoChi2(NCBI登录号为MW310626),通过生物信息学手段预测分析了目标基因推导的编码蛋白的结构和功能,并采用qRT-PCR分析灰霉菌侵染以及SA/JA处理条件下LoChi2基因在百合中的表达特征。结果显示:(1)LoChi2基因完整的开放阅读框序列长度为915 bp,编码304个氨基酸,预测的蛋白分子质量为32.52 kD,理论等电点为4.16。(2)蛋白结构和系统进化分析显示,LoChi2属于糖苷水解酶18家族Ⅲ类成员,含有保守的GH18 narbonin催化结构域、跨膜结构域以及信号肽、糖基化和磷酸化位点,预测为疏水的分泌蛋白,且定位于细胞外;多序列比对结果表明,LoChi2基因序列与麝香百合、菠萝和梅花中的Chi2基因具有较高的相似性。(3)qRT-PCR分析发现,LoChi2基因的表达水平与品种间的抗病性呈正相关,其中在高抗品种‘索邦’中的表达水平显著高于中感品种‘雷山三号’(L.×formolongi‘Raizan 3’)和高感品种‘穿梭’(L. asiatic hybrid ‘Tresor’);外源水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)可诱导LoChi2基因的表达。研究表明,LoChi2基因是参与灰霉菌防御反应的关键抗病基因,且该基因可能在JA和SA抗病信号通路中扮演重要角色;推测LoChi2基因在百合抗灰霉病育种方面具有广阔的应用前景,将成为百合抗灰霉病转基因育种中新的候选基因。     

谷子几丁质酶基因家族鉴定及在白发病菌胁迫下的表达分析

谷子白发病是威胁谷子产量和品质的重要系统性侵染病害。在抵抗病原菌的过程中,抗病相关基因起着尤为重要的作用。几丁质酶(Chitinase,EC.3.2.1.14)是植物抗病反应过程中的一类重要的病程相关蛋白,在植物防御病原菌侵染和害虫危害中扮演重要的角色。本研究在前期对白发病菌侵染抗感谷子品种转录组分析的基础上发现几丁质酶家族基因在抗感品种中显著差异表达,推测该家族基因可能参与谷子对白发病的抗病反应过程。基于此,本研究运用生物信息学相关技术对筛选出的30个谷子候选抗病相关几丁质酶家族基因进行染色体定位,利用TBtools等软件对该基因家族的理化性质、基因结构、发育树构建、蛋白序列及其转录水平进行分析。结果表明,30个谷子几丁质酶家族基因分布在8条染色体上(第6条染色体除外)。几丁质酶蛋白均含有分泌信号肽,预测为分泌蛋白,且具有保守蛋白基序。系统发育树分析显示,该基因家族成员可分为3个亚组。结合白发病菌侵染抗感谷子转录组数据,根据其表达模式的差异,可分为上调、下调和不表达3类基因。荧光定量PCR结果表明,Seita.1G225300、Seita.4G286000、Seita.5G389900、Seita.7G150600、Seita.7G150700和Seita.8G076900这些基因表达在抗感品种中存在显著差异,很可能参与抗白发病的调控过程。其研究结果有望为谷子抗病基因克隆及分子育种提供一定的理论参考。     

绵羊Wnt2蛋白生物信息学分析

Wnt2蛋白是Wnts蛋白家族的重要成员,参与卵巢的发育。本研究以NCBI蛋白质数据库中发布的Wnt2蛋白氨基酸序列为研究对象,采用生物信息学软件对Wnt2蛋白的理化性质、信号肽及跨膜结构域、糖基化和磷酸化位点、二级结构和功能结构域、亚细胞定位和功能结构分类、序列相似比对及聚类、三级结构进行预测分析。结果发现,绵羊Wnt2由360个氨基酸组成,其等电点为9.21,有糖基化位点和磷酸化位点,是一个有信号肽的稳定的蛋白;二级结构与三级结构一致,均显示Wnt2由α-螺旋、延伸链、无规则卷曲构成;绵羊Wnt2蛋白是细胞外蛋白,主要参与信号转导和转录调控。研究结果为深入探讨Wnt2基因及其编码蛋白的结构和功能提供相关依据。