滇牡丹1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶(DXS)基因的克隆及功能分析

1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶(DXS),作为MEP途径的第一个关键酶,在植物萜类合成中起着重要作用。为了克隆得到滇牡丹DXS基因,我们根据滇牡丹根皮转录组数据分析结果,首先获得滇牡丹DXS基因片段。之后根据获得的该片段设计特异引物,再利用RACE和RT-PCR技术从滇牡丹根皮中获得完整的DXS基因(Pd DXS)。Pd DXS基因全长为3 137 bp,全长基因中含有一个长度为2 151 bp的开放阅读框(ORF),该开放阅读框编码了717个氨基酸,根据开放阅读框序列推导所得蛋白序列绘制分子进化树,分子进化树将该基因推断所得蛋白与葡萄DXS蛋白聚为一类,因此,两者的DXS蛋白有较高相似性。经过氨基酸序列比对后,推断滇牡丹DXS具有叶绿体转运肽,二磷酸硫胺结合位点以及转酮醇酶结构域。半定量RT-PCR结果显示Pd DXS在根、茎、叶、花芽及花瓣中均有表达。本研究为确定滇牡丹中DXS的基因功能以及揭示滇牡丹中萜类化合物的生物合成提供了理论基础。     

1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)及其编码基因

萜类物质是广泛分布于生物界的一类天然产物,也是重要生命物质。萜类物质通过甲羟戊酸(MVA)途径和2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸(MEP)途径合成,古细菌、真菌和动物及人的萜类物质主要通过MVA途径合成,而多数真细菌(即通常而言的细菌)则利用MEP途径。植物同时拥有两种途径但分别定位于细胞质和质体。1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)是MEP途径的第一个酶,也是该途径的关键调控位点。现从DXS在MEP途径中的作用、DXS结构、亚细胞定位和酶活性、编码基因及突变体等方面对DXS进行全面阐述。拟南芥DXS基因插入突变体cla1-1发生白化,DXS基因表达与类胡萝卜素等萜类物质积累密切相关,在转基因生物体中过度表达DXS可促进萜类物质合成。植物DXS具有典型的质体转运肽序列,决定了DXS的质体定位。完备的DXS活性分析体系为DXS抑制剂开发筛选等研究奠定良好基础。DXS由一至多个基因编码,随生物种类而异,根据同源性,植物DXS基因可分成两类。DXS基因家族不同成员具有不同的表达模式,但通常有一个成员在多种组织中广泛表达。     

植物萜类合成关键基因DXS研究进展

萜类物质是自然界中广泛存在的一类天然化合物,对植物、动物和人类都有重要价值。1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)对萜类物质合成调控起关键作用,是2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸(MEP)途径的第一个酶,也是该途径的一个限速酶,亚细胞定位于类囊体中,具有质体转运肽序列和3个功能结构域:TPP结合结构域、转酮醇酶结构域和嘧啶结合结构域,可用高效液相色谱法测定其活性。目前已从178种植物中克隆分离到DXS基因,按蛋白同源性可分为3类:DXS1、DXS2和DXS3。DXS基因表达具有组织特异性、昼夜节律性,与花朵、果实发育程度和品种有关。转外源或内源DXS基因的植株过表达或抑制表达都会引起植物光合色素(如叶绿素和类胡萝卜素)、内源激素(如脱落酸和赤霉素)和单萜等萜类物质含量的改变。重点综述了DXS蛋白的特性、基因的类型、基因表达、调控和遗传转化方面的研究进展,以期为植物育种和代谢调节提供理论和实践参考。     

穿心莲ent-柯巴基焦磷酸合酶基因的克隆与生物信息学分析

旨在克隆穿心莲CPS的编码基因,并进行序列分析.通过RT-PCR和cDNA末端快速扩增的技术从穿心莲叶片中获得目的基因;并利用生物信息学的方法对其编码蛋白进行功能分析.结果显示,获得了全长2 499 bp的cDNA序列,编码一个833aa的蛋白.序列同源性比较表明,该蛋白与野甘草、咖啡等其他植物来源的CPS具有较高的同源性.保守功能结构域分析显示,该蛋白包含一个富含Asp残基的植物萜类合酶的共有保守功能域“DXDD”,归属于萜类生物合成酶Ⅰ类超级家族和顺式聚异戊二烯焦磷酸合酶超级家族.初步推测克隆得到了穿心莲CPS的编码基因(命名为ApCPS,GenBank登录号为JN216843.1).     

茶树1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶基因CsDXS1的克隆与表达分析

1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶(1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase,DXS)是MEP萜类合成途径的第一个关键酶,在植物萜类物质的生物合成过程中发挥重要的作用。以福鼎大白茶为实验材料,在课题组前期转录组数据的基础上,运用RT-PCR技术克隆了茶树Cs DXS1基因的完整开放阅读框(ORF)。该ORF长度为2 154 bp,编码717个氨基酸。生物信息学分析结果表明,茶树Cs DXS1蛋白与其他植物的同源蛋白相似性高达85%-90%,属于DXS基因家族的I类基因,该蛋白是不稳定的亲水蛋白,不存在信号肽和跨膜结构域,有15个可信度高的磷酸化位点,具有典型的转酮醇酶亚家族功能域。利用实时荧光定量PCR对Cs DXS1基因在茶树不同组织和不同激素处理下的表达谱进行检测,结果显示:不同组织中,Cs DXS1基因的表达水平在第三叶中最高,嫩叶中的表达量显著高于茎和老叶,表达水平从高到低依次为第三叶第四叶第二叶第一叶嫩茎老茎老叶。在不同激素处理中,Cs DXS1的表达量受到不同程度的诱导,且表达量峰值的出现时间存在差异。Cs DXS1在IAA和ABA激素处理下的表达量峰值最高(4 h),均为对照的1.5倍,在Me JA处理下表达量峰值最低(24 h),仅为对照的1.1倍。     

三角褐指藻dxs基因克隆与诱导表达

为研究6种外源因素处理对三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)基因表达的影响,通过高通量转录组测序技术获得三角褐指藻dxs基因cDNA全长序列,并对其进行生物信息学分析。研究结果表明,三角褐指藻dxs基因cDNA全长2476 bp, ORF全长2193 bp,编码730个氨基酸,具有高度保守的ThDP结合位点和转酮醇酶结构域。三角褐指藻DXS蛋白为亲水性稳定蛋白,相对分子质量(M_w)为79.31 kD,理论等电点为6.65,具有信号肽、跨膜区域、卷曲螺旋和TM-螺旋等。系统进化树分析结果表明, DXS蛋白进化树分为高等植物和藻类2个分支,高等植物DXS蛋白进一步分为DXS1和DXS2两支,藻类DXS蛋白聚类为3个分支,分别为硅藻门、红藻门和绿藻门分支,三角褐指藻聚类在硅藻门分支上。诱导表达调控结果表明,三角褐指藻dxs基因受到茉莉酸甲酯(MeJA)、花生四烯酸(AA)、硫酸铈铵(ACS)、光合诱导素(PIF)、光合抑制剂(DCMU)和光质等6种外源因素的诱导调控。在100μmol/L MeJA...     

铁皮石斛蔗糖磷酸合成酶基因的克隆与原核表达

应用同源序列克隆法克隆了铁皮石斛蔗糖磷酸合成酶(SPS)基因cDNA全长,并进行了原核表达分析,为进一步研究该基因的时空表达、功能分析及多糖合成机理提供理论依据。结果表明:(1)铁皮石斛SPS基因cDNA全长3 502bp,编码区3 186bp,GenBank登录号JF423929。该基因编码1 061个氨基酸,与文心兰的SPS基因氨基酸序列的一致性最高为93%,与其他科植物SPS基因的氨基酸序列的一致性均高于60%。(2)原核诱导表达结果显示,SPS基因在大肠杆菌中的重组蛋白分子质量约为118.7kD,其表达与序列分析推测的结论一致。(3)生物信息学分析表明,铁皮石斛SPS基因的二级结构包括了螺旋、β-折叠和无规则卷曲,是非跨膜结构的亲水性不稳定蛋白,有2个功能结构域,分别是蔗糖合成功能域及糖基转移功能域。     

美洲大蠊3-磷酸甘油醛脱氢酶基因的克隆及表达

旨在通过5’-RACE获得美洲大蠊3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)基因的全长cDNA序列,进行生物信息学分析,构建原核表达载体,诱导重组蛋白表达,为进一步研究其功能奠定基础.通过3’-RACE技术,PCR扩增获取编码美洲大蠊GAPDH蛋白的全长cDNA序列;采用生物信息学方法推导出该序列编码的氨基酸序列及其理化性质;预测信号肽、蛋白疏水性、可溶性、跨膜区结构、二级结构、三级结构,并构建系统发育树;构建原核表达载体pET28a-GAPDH,IPTG诱导重组蛋白表达,并用Histag抗体Western blotting验证.结果显示,美洲大蠊GAPDH基因,其完整阅读框含999个碱基,编码332个氨基酸.序列分析显示,该蛋白与家蚕GAPDH相似性为89％,具有GAPDH保守功能域,经IPTG诱导获得重组蛋白.     

小麦NBS类抗病基因同源cDNA序列的克隆与特征分析

根据已克隆植物抗病(R)基因NBS保守结构域设计简并引物,采用RT-PCR和cDNA末端快速扩增技术(RACE),在小麦抗叶锈病近等基因系材料TcLr19中进行抗病同源基因cDNA全长的扩增。获得了1个通读的NBS类抗病同源基因S11A11cDNA序列,该序列全长2923bp,编码878个氨基酸序列。生物信息学分析结果表明,该片段含有NB-ARC保守结构域和多个LRR结构域。聚类分析表明,S11A11编码的蛋白与小麦抗叶锈病基因Lr1编码的蛋白亲缘关系较近,而与Lr10亲缘关系较远。半定量RT-PCR分析表明,该基因在小麦叶片中为低丰度组成型表达。本研究在TcLr19小麦中成功获得了抗病基因同源序列,为最终克隆小麦抗叶锈病目的基因奠定了基础。     

人脑内-含有ACP样结构域新基因的发现

为寻找脑内新基因,以正常成人全脑cDNA为模板,采用锚定PCR方法进行扩增,将经琼脂糖DNA电泳 鉴定获得的一约1200bp大小的特异性条带回收,并克隆入Teasy载体.用310 Genetic Analyzer进行自动测序. 所得序列进行生物信息学分析BLAST相似性分析结果证明所得序列为新序列,读框分析表明,该序列中存在 一完整编码区,编码含357个氨基酸的蛋白质.ProDom软件分析发现其含有酰基携带蛋白(ACP)样结构域. 随后,经3'RACE法克隆到该基因的全长cDNA,其全长为2024bp,染色体定位在14q11.2,含有16个外显子, 15个内含子,该基因已登录到GenBank.经设计编码区引物,从Teasy载体扩增出编码区后再克隆入pGEX-4T1 表达载体,经异丙基硫代-D-乳糖苷(IPTG)化学诱导表达.其编码区克隆人pGEX-4T1表达载体后,转入 JM109宿主菌,经IPTG诱导已得到表达.点杂交及RNA印迹表明,该基因在正常成人脑内广泛高表达.     

Identification and characterization of class 1 <Emphasis Type="Italic">DXS</Emphasis> gene encoding 1-deoxy-<Emphasis Type="SmallCaps">d</Emphasis>-xylulose-5-phosphate synthase,the first committed enzyme of the MEP pathway from soybean

1-Deoxy-d-xylulose-5-phosphate synthase (DXS) catalyses the first committed step of the 2C-methyl-d-erythritol-4-phosphate (MEP) pathway, which is an alternative isoprenoids biosynthetic route that has been recently discovered. In this work, a DXS1-like cDNA (GmDXS1) was isolated from soybean. The full-length cDNA of GmDXS1 encoded 708 amino acid residues with a predicted molecular mass of 76.4 KD. Sequence alignment showed that GmDXS1 had high homology to known DXS proteins from other plant species and contained the conserved N-terminal plastid transit peptide, the N-terminal thiamine binding domain and pyridine binding DRAG domain. Phylogenetic analysis indicated that GmDXS1 belonged to the plant DXS1 cluster. Southern blot analysis indicated that a single copy of GmDXS1 gene existed in soybean genome. Tissue expression analysis revealed that GmDXS1 expressed in all photosynthetic tissues except pod walls and roots. Green fluorescence analysis with the fusion protein 35S:GmDXS1:GFP suggested that GmDXS1 was localized in plastid. The relatively higher photosynthetic pigment content in transgenic tobacco leaves compared to the control implied that GmDXS1 catalyzed the first potential regulatory step in photosynthetic pigment biosynthesis via the MEP pathway.     

油棕等热带植物DXS基因的生物信息学分析

油棕等热带植物含有丰富的胡萝卜素和维生素E等类异戊二烯物质,类胡萝卜素和甾醇等类异戊二烯物质在植物生命活动中扮演重要角色,并且对保护人类健康具有重要意义,MEP途径是合成类异戊二烯的重要途径之一。DXS是MEP途径中的第一个限速酶,其功能在油棕等热带植物中极其保守。为了弄清油棕等热带植物DXS的结构和功能特点,该研究利用生物信息学工具和软件对以油棕等热带植物类异戊二烯合成关键基因DXS为对象,进行核酸和氨基酸序列的理化性质、蛋白质结构以及功能结构域等分析,探讨了不同物种间的亲缘关系。结果表明:DXS基因起始密码子均为ATG,终止密码子则分为TAG、TAA和TGA,DXS蛋白质属于不具有信号肽的亲水性蛋白,可能作为转运蛋白在叶绿体基质中发挥作用,未发现明显的跨膜结构域,磷酸化位点有36个,其中丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸位点分别为17、11和8个,无规则卷曲和α-螺旋是蛋白质二级结构主要的结构元件,三级结构预测具有DXS酶特征,硫胺素焦磷酸盐结合位点和PLN02582保守结构域,不同植物DXS功能结构域非常保守,可以作为判断不同物种间亲缘关系的重要依据。该研究结果为油棕等热带植物DXS的结构、功能分析和利用提供了进一步的信息,为其品质性状分子机制研究及遗传改良奠定了基础。     

香鳞毛蕨 1 脱氧 D 木酮糖 5 磷酸合酶基因的克隆及表达分析

1 脱氧 D 木酮糖 5 磷酸合酶(DXS)是甲基 D 赤藓醇 4 磷酸(MEP)途径中控制影响植物萜类化合物合成的第一个限速酶。该研究对香鳞毛蕨(Dryopteris fragrans)DfDXS基因进行序列特征及生物信息学分析,并通过qRT PCR技术分析其在外源激素、干旱、盐胁迫、高温及低温处理下的表达模式,旨在探究DfDXS基因在香鳞毛蕨萜类生物合成及抗逆机制中的作用,为进一步解析香鳞毛蕨抗逆分子机制奠定基础。结果显示：(1) DfDXS1基因全长2 139 bp,编码712个氨基酸,而DfDXS2全长2 160 bp,编码719个氨基酸;结构域分析显示,其具有典型的转酮醇酶保守域,包含焦磷酸硫胺素结合位点和转酮醇酶结构域;DfDXS氨基酸序列与江南卷柏(Selaginella moellendorffii)和银杏(Ginkgo biloba)的DXS等关系较近。(2)水杨酸(SA)处理下,DfDXS基因的相对表达量先升高后降低;脱落酸(ABA)抑制DfDXS的表达;DfDXS1/2在茉莉酸甲酯(MeJA)处理下相对表达水平均显著高于对照;乙烯利(Eth)抑制DfDXS的表达,但DfDXS1处理3 h时表达水平显著高于对照。(3)聚乙二醇(PEG)、高温和低温均诱导DfDXS1上调表达。研究推测,香鳞毛蕨DXS基因在萜类物质合成与逆境胁迫机制中发挥着重要的作用。     

Functional and evolutionary analysis of DXL1, a non-essential gene encoding a 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase like protein in Arabidopsis thaliana

The synthesis of 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate (DXP), catalyzed by the enzyme DXP synthase (DXS), represents a key regulatory step of the 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate (MEP) pathway for isoprenoid biosynthesis. In plants DXS is encoded by small multigene families that can be classified into, at least, three specialized subfamilies. Arabidopsis thaliana contains three genes encoding proteins with similarity to DXS, including the well-known DXS1/CLA1 gene, which clusters within subfamily I. The remaining proteins, initially named DXS2 and DXS3, have not yet been characterized. Here we report the expression and functional analysis of A. thaliana DXS2. Unexpectedly, the expression of DXS2 failed to rescue Escherichia coli and A. thaliana mutants defective in DXS activity. Coherently, we found that DXS activity was negligible in vitro, being renamed as DXL1 following recent nomenclature recommendation. DXL1 is targeted to plastids as DXS1, but shows a distinct expression pattern. The phenotypic analysis of a DXL1 defective mutant revealed that the function of the encoded protein is not essential for growth and development. Evolutionary analyses indicated that DXL1 emerged from DXS1 through a recent duplication apparently specific of the Brassicaceae lineage. Divergent selective constraints would have affected a significant fraction of sites after diversification of the paralogues. Furthermore, amino acids subjected to divergent selection and likely critical for functional divergence through the acquisition of a novel, although not yet known, biochemical function, were identified. Our results provide with the first evidences of functional specialization at both the regulatory and biochemical level within the plant DXS family.     

Multiple genes are transcribed in Hordeum vulgare and Zea mays that carry the DNA binding domain of the myb oncoproteins

Summary cDNA clones were isolated from tissue specific cDNA libraries of barley and maize using as a probe the cDNA of the maize gene C1, a regulator of anthocyanin gene expression. C1-related homology for all of the four cDNAs characterized by sequence analysis is restricted to the N-terminal 120 amino acids of the putative proteins. This region shows striking homology to the N-proximal domain of the myb oncoproteins from vertebrates and invertebrates. Within the myb proto-oncogene family this part of the respective gene products functions as a DNA binding domain. Acidic domains are present in the C-proximal protein segments. Conservation of these sequences, together with the genetically defined regulator function of the C1 gene product, suggest that myb-related plant genes code for trans-acting factors which regulate gene expression in a given biosynthetic pathway.     

Cloning and Characterization of Functional Trehalose-6-Phosphate Synthase Gene in Maize

Trehalose is a non-reducing disaccharide of glucose that functions as a compatible solute in the stabilization of biological structures under heat and desiccation stress in bacteria, fungi, and some “resurrection plants”. In the plant kingdom, trehalose is biosynthesized by trehalose-6-phosphate synthase (TPS) and trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP). Over-expression of exogenous and endogenous genes encoding TPS and TPP is reported to be effective for improving abiotic stress tolerance in tobacco, potato, tomato, rice, and Arabidopsis. On the basis of bioinformatics prediction, we cloned a fragment containing an open reading frame of 2,820 bp from maize, which encodes a protein of 939 amino acids. Phylogenetic analysis showed that this gene belongs to the class I subfamily of the TPS gene family. Analysis of conserved domains revealed the presence of a TPS domain and a TPP domain. Yeast complementation with TPS and TPP mutants demonstrated that this protein has the activity of trehalose-6-phosphate synthase. Semi-quantitative RT-PCR and real-time quantitative PCR indicated that the expression of this gene is upregulated in response to both salt and cold stress.     

枸骨IcFPS1基因的克隆、表达及生物信息学分析

法尼基焦磷酸合酶(farnesyl diphosphate synthase,FPS)是三萜皂苷生物合途径的一个关键酶,为研究FPS基因在枸骨中的功能,该研究采用PCR技术将一个FPS基因的cDNA序列从枸骨叶中分离出来,并命名为IcFPS1。结果表明:根据测序结果分析发现扩增获得的IcFPS1基因cDNA长度为1 591 bp,包含一个完整的开放阅读框,大小为1 029 bp。通过序列分析发现枸骨IcFPS1基因编码342个氨基酸,分子量和等电点分别为39.58 kDa和5.18。通过理化性质预测分析发现IcFPS1蛋白不含信号肽,不含有跨膜区域,该IcFPS1蛋白为亲水性蛋白质。通过序列多重比对发现IcFPS1蛋白质与其他植物的FPS蛋白质高度同源,有共同的保守区域和氨基酸序列,其中与西洋参FPS序列的相似性高达89%。通过系统进化树分析发现枸骨FPS蛋白与同属于被子植物的五加科植物FPS蛋白亲缘关系较近,说明FPS基因在进化过程中相对比较保守。根据蛋白调控网络预测分析结果发现该蛋白可能与IPP1、IPP2、GGPS3、GGPS6和ERA1相互作用,参与类异戊二烯的合成代谢过程。通过实时荧光定量PCR分析发现IcFPS1基因在枸骨各个组织部位中均有表达,其中在枸骨根中表达量最高,在茎和雌花中表达量最低。     

百合鳞茎发育过程中淀粉合成相关酶基因的克隆及表达分析

该研究通过同源克隆技术克隆腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、颗粒结合淀粉合酶(GBSS)和可溶性淀粉合酶(SSS) 3类百合淀粉合成关键酶基因,分析这三类淀粉合成关键酶基因的表达变化,测定百合鳞茎膨大发育中淀粉含量变化。结果表明:(1) AGPase具有GlgC家族蛋白PLN02241蛋白结构特征及cl11394家族蛋白ADP_Glucose_PP与NTP_transferase结构域,获登录号KP751443; GBSS与SSS具有cl10013家族蛋白Glyco_transf_5,GT1_Glycogen_synthase_DULL1_like结构域,获登录号分别为KP751444、KP751445。(2)百合鳞茎形成与膨大发育过程中,淀粉含量呈现递增趋势,鳞茎盘开始分化茎杆时其淀粉含量最高,达到44.52%。鳞茎与叶片部位的三个淀粉合成相关酶基因表达量均逐渐增加;在鳞茎膨大后茎杆分化阶段,三个淀粉合成相关酶基因表达量达到最高,AGPase、GBSS、SSS在鳞片中的表达量分别为10.79,6.92和5.12,叶片中的表达量分别为6.79,5.22和4.41,鳞片中的表达量大幅度高于叶片;淀粉合成相关酶基因的表达量变化与淀粉含量、鳞茎的膨大发育成正相关。这为鳞茎的繁殖生产提供了可通过调节淀粉合成关键酶基因表达促进百合鳞茎膨大发育的思路。     

红汁乳菇中一个聚酮合酶基因的鉴定和表达分析

聚酮化合物具有丰富的生物活性,为了解红汁乳菇(Lactarius hatsudake)中聚酮合酶基因,从红汁乳菇基因组中分离并克隆得到LhPKS1基因,通过生物信息学分析推测其功能,并通过RT-PCR验证该基因的表达量。结果显示,LhPKS1基因全长cDNA含有6 036 bp,编码2 011个氨基酸残基,结构域顺序依次为SAT-KS-AT-PT-ACP-TE,该蛋白无跨膜结构和信号肽,聚类分析显示LhPKS1蛋白与参与生物合成苔色酸的真菌PKS蛋白聚为一支。在以10%肌醇、2%和10%的山梨醇为碳源添加物及以番茄浸粉为氮源添加物时,该基因表达量较高。研究有助于通过LhPKS1基因的过表达及异源表达,为大量获取苔色酸类化合物及其骨架提供参考。