摘要: 【目的】對卵萼花錨(Halenia elliptica) 的異胡豆苷合成酶(strictosidine synthase,STR) 基因家族成員進行鑒定和生物信息學分析,為進一步研究卵萼花錨STR 家族基因的功能奠定基礎?!痉椒ā炕诼演嗷ㄥ^基因組數(shù)據(jù),采用生物信息學方法鑒定STR 基因,分析其家族的進化關系、理化性質、基因結構和蛋白質保守基序,并與大花花錨(H. grandiflora)、花錨(H. corniculata)、四數(shù)獐牙菜(Sinoswertia tetraptera) 和達烏里秦艽(Gentiana dahurica) 的STR 基因進行比較?!窘Y果】卵萼花錨STR 基因家族共有10 個成員,基因數(shù)量與其他龍膽科物種相似。卵萼花錨STR 基因與大花花錨具有較高的同源性,將所有HeSTR 基因分為6 組,同一組成員具有相似的基因結構和蛋白保守基序。HeSTR 蛋白的氨基酸數(shù)量介于189~388 個之間,除HeSTR14.1 外,其他均為親水蛋白。HeSTR 基因的外顯子數(shù)量為3 或4 個。卵萼花錨STR 基因家族成員與四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨的共線性較高?!窘Y論】研究結果為深入探究STR 基因功能及進一步解析卵萼花錨單帖吲哚生物堿龍膽苦苷的合成途徑提供了理論依據(jù)。
關鍵詞: 卵萼花錨;異胡豆苷合成酶;基因結構;基因共線性;生物信息學
中圖分類號: S567.219.01 文獻標志碼: A 文章編號: 1004–390X (2024) 05?0065?09
萜類吲哚生物堿(terpenoid indole alkaloids,TIAs) 是植物重要的次生代謝產(chǎn)物,具有顯著的抗腫瘤、降血壓、降血糖、抗心律失常等作用[1]。在天然藥物研發(fā)領域,TIAs 得到了廣泛應用,例如:喜樹堿類半合成衍生物伊利替康和拓撲替康是著名的抗腫瘤新藥[2];長春新堿和長春堿也已被用于癌癥的臨床治療[3]。生物合成是大量獲得化合物的重要途徑之一,而鑒定化合物生物合成通路的關鍵基因是至關重要的步驟。異胡豆苷合成酶(strictosidine synthase,STR) 被視為萜類吲哚類生物堿的關鍵限速酶[4],它通過催化斷馬錢子苷與色胺發(fā)生反應生成異胡豆苷(所有單萜吲哚類生物堿的前體),異胡豆苷在多種酶的參與下可以轉化成約2 000 種生物堿[5]。因此,STR 是TIAs 代謝工程中常用的候選基因和作用靶點[6]。
目前,已從蘿芙木(Rauvolfia verticillata)[7]、長春花(Catharanthus roseus)[8]、短小蛇根草(Ophiorrhizapumila)[9]等含有萜類吲哚生物堿的植物中克隆出STR 基因。通過對STR 進行過表達或結合其他限速酶進行共表達,能夠顯著促進次生代謝產(chǎn)物(如喜樹堿) 的含量。例如:在長春花中共表達TIA 通路上游的CrSTR 和CrTDC 基因,能夠增強TIA 通路的活性并促進異胡豆苷的合成[10];在短小蛇根草中過表達OpG10H 和OpSTR 基因也可顯著提高喜樹堿的含量[11];將假柴龍樹(Nothapodytesobtusifolia) 的NfSTR 基因在匍地蛇根草(O. rugosa) 中異源過表達后,匍地蛇根草的喜樹堿含量是未轉化植株的1.9 倍[12]。以上研究均表明:STR 基因在萜類吲哚生物堿合成途徑中起著重要作用。
卵萼花錨(Halenia elliptica) 為龍膽科(Gentianaceae)花錨屬(Halenia) 植物,該物種原為橢圓葉花錨的變種[13]。野外實驗表明:卵萼花錨與其變種大花花錨(H. grandiflora) 之間存在繁殖隔離,因此被提升為一個物種[14]。卵萼花錨是藏藥材藏茵陳的基原植物之一,含有單帖吲哚生物堿龍膽苦苷及其他藥用成分,具有較好的疏肝、抗病毒等藥理作用[15-16]。本研究對卵萼花錨STR 基因家族成員進行了鑒定,并通過生物信息學方法系統(tǒng)分析了STR 基因家族的進化關系、理化性質、基因結構、蛋白質保守基序和共線性,為進一步研究卵萼花錨STR 家族基因的功能奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
從已發(fā)表的文獻中獲取龍膽科四數(shù)獐牙菜(Sinoswertiatetraptera)[17]和達烏里秦艽(Gentiana dahurica)[18]的基因組數(shù)據(jù),卵萼花錨、花錨(H. corniculata)和大花花錨的基因組數(shù)據(jù)為本課題組未發(fā)表的數(shù)據(jù)。從擬南芥資源數(shù)據(jù)庫(The ArabidopsisInformation Resource, TAIR, https://www.arabidopsis.org/) 獲取擬南芥(Arabidopsis thaliana) STR蛋白序列。從NCBI 數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) 獲取喜樹(Camptotheca acuminata)、長春花(Catharanthus roseus)、短小蛇根草(Ophiorrhizapumila)、日本蛇根草(O. japonica)、曼恩蘿芙木(R. mannii) 和臭味假柴龍樹(N. nimmoniana)的STR 蛋白序列?;蚪M數(shù)據(jù)包括基因組序列、編碼序列、蛋白質序列和gff3 基因組注釋文件。
1.2 STR 基因家族成員的鑒定
以擬南芥的STR 蛋白序列作為參考,對卵萼花錨、四數(shù)獐牙菜、達烏里秦艽、花錨和大花花錨的蛋白序列進行BLASTP 比對, 將期望值(E 值) 小于10?10且一致性大于30% 的蛋白序列提交到NCBI CD-Search (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和Pfam (https://www.ebi.ac.uk/interpro/) 數(shù)據(jù)庫進行候選蛋白的鑒定,并利用PfamScan 篩選出含STR 結構域(PF03088) 的蛋白,從而得到5 個物種的STR 基因。不同物種的直系同源基因依據(jù)擬南芥STR 對應的直系同源基因進行命名,將同一物種中的旁系同源基因按連續(xù)編號方式進行命名。
1.3 STR 基因家族成員的進化分析
將卵萼花錨STR 蛋白與四數(shù)獐牙菜、達烏里秦艽、花錨、大花花錨、擬南芥以及已進行功能驗證的植物STR 基因(喜樹AES93117.1、長春花CAA43936.1 和CAA37671.1、短小蛇根草BAB-47180.1、日本蛇根草ACF21007.1、曼恩蘿芙木CAA45025.1、臭味假柴龍樹AZZ89575.1) 編碼的蛋白通過MAFFT 軟件[19]進行多重序列比對,用IQ-TREE[20]構建進化樹,最后用iTOL (https://itol.embl.de/) 和FigTree 1.4.4 軟件對進化樹進行可視化。
1.4 卵萼花錨STR 蛋白的理化性質分析
利用ExPASy (https://web.expasy.org/protparam/)蛋白分析工具估算卵萼花錨STR 蛋白的理化參數(shù),包括長度、分子質量和等電點。
1.5 卵萼花錨STR 蛋白保守基序分析及基因結構預測
利用分析工具MEME (http://meme-suite.org/tools/meme)[21]查找卵萼花錨STR 蛋白的保守基序,其長度為10~50 個氨基酸殘基,最大發(fā)現(xiàn)數(shù)量為10 個,其他參數(shù)設為默認值。利用Tbtools[22]可視化STR 基因的保守基序分布,利用基因結構顯示工具GSDS (http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)[23]可視化STR 基因的外顯子和內(nèi)含子結構。
1.6 STR 基因家族的共線性分析
利用MCScanX 軟件[24]對卵萼花錨及其近緣物種的STR 基因家族成員進行種內(nèi)及種間的共線性分析。
2 結果與分析
2.1 STR 基因家族鑒定
結合NCBI CDD 和Pfam 數(shù)據(jù)庫的比對結果,以擬南芥15 個STR 蛋白為參考,從卵萼花錨、達烏里秦艽、四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨的基因組數(shù)據(jù)中分別鑒定出10、14、21、12 和19 個STR 基因(已上傳至CNCB-NGDC 數(shù)據(jù)庫),分別命名為GdSTR1.1~GdSTR14.2、StSTR1.1~ StSTR14.5、HcSTR1.1~HcSTR14.4、HeSTR8.1~HeSTR14.4 和HgSTR1.1~HgSTR14.9。通過比較發(fā)現(xiàn):卵萼花錨的STR 基因數(shù)量最少,而四數(shù)獐牙菜的數(shù)量最多(圖1)。
2.2 STR 基因家族成員的進化分析
參照擬南芥STR 基因的劃分,STR 基因分為6 個分支,但分支4 中沒有卵萼花錨STR 基因家族成員(圖1)。分支1 內(nèi)包括2 個HeSTR 基因(HeSTR8.1、8.2),分支2 內(nèi)包括1 個HeSTR 基因(HeSTR9),分支3 內(nèi)包括1 個HeSTR 基因(HeSTR11),分支5 內(nèi)包括2 個HeSTR 基因(HeSTR-10.1、10.2),分支6 內(nèi)包括4 個HeSTR 基因(HeSTR14.1、14.2、14.3、14.4)。每個分支都包含其他4 個龍膽科物種的STR 基因家族成員,且卵萼花錨的HeSTR 基因與大花花錨的HgSTR 基因具有較高的同源性。喜樹的CaSTR 基因(AES93117.1)、長春花的CrSTR1 基因(CAA43936.1) 和CrSTR2基因(CAA37671.1)、短小蛇根草的OjSTR 基因(BAB47180.1)、日本蛇根草的OpSTR 基因(ACF-21007.1)、曼恩蘿芙木的RmSTR 基因(CAA45-025.1) 以及臭味假柴龍樹的NnSTR 基因(AZZ89-575.1) 都位于分支6 中,每個HeSTR 基因編碼的蛋白與已知功能STR 蛋白的一致性最高(表1)。
2.3 卵萼花錨STR 蛋白的理化性質
由表2 可知:卵萼花錨的10 個HeSTR 蛋白氨基酸數(shù)量為189~388 個,僅HeSTR14.3 的氨基酸長度小于300 個;分子質量為20.627~43.584 ku,等電點介于4.29~8.88 之間;除HeSTR14.1 外,其余HeSTR 蛋白的平均親水性均小于0,即均為親水性蛋白。
2.4 HeSTR 基因的結構與保守基序
HeSTR 基因結構(圖2a~b) 分析表明:大部分成員所含的外顯子數(shù)量較少,除HeSTR9 和HeSTR11.1 外,其他HeSTR 基因均由3 個外顯子和2 個內(nèi)含子組成。同一進化分支的基因表現(xiàn)出更相似的基因結構,如:分支1 的HeSTR8.1 和HeSTR8.2 以及分支5 的HeSTR10.1 和HeSTR10.2都分別包含3 個外顯子和2 個內(nèi)含子。同一分支內(nèi)基因的外顯子長度相同,但內(nèi)含子長度不同,分支1 中HeSTR8.2 的2 個內(nèi)含子均長于HeSTR8.1,而分支2 中HeSTR10.2 的第1 個內(nèi)含子長度大于HeSTR10.1。分支6 中HeSTR 基因的外顯子和內(nèi)含子排列模式則完全不同。
HeSTR 蛋白的保守基序分析結果(圖2c) 表明: 所有HeSTR 蛋白均含有motif3 和motif6,大多數(shù)HeSTR 蛋白則由motif1、2、4、5、7、8、9 組成。這表明HeSTR 家族成員的基序分布較為保守,可能具有相似的生理功能。此外,上述9 個保守基序的具體氨基酸序列(圖2d) 顯示:同一進化支的HeSTR 蛋白保守基序分布非常一致,如:分支1 的HeSTR8.1 和HeSTR8.2 以及分支5 的HeSTR10.1 和HeSTR10.2,其基序數(shù)量和類型均完全相同;分支3 的HeSTR11 相比于分支5 的HeSTR 蛋白多1 個motif10,而分支2 的HeSTR9 則比HeSTR11 多1 個motif13。
2.5 STR 基因的共線性
卵萼花錨STR 家族成員的基因組內(nèi)共線性分析結果(圖3) 顯示:10 個HeSTR 分布于卵萼花錨的10 條染色體,HeSTR 基因家族成員間只有1 個共線性基因對,該基因對由分支5 中的HeSTR10.1和HeSTR10.2 組成,推測這1 對基因可能發(fā)生了基因復制事件。卵萼花錨與達烏里秦艽、四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨STR 基因家族成員的基因組間共線性分析結果顯示:卵萼花錨與達烏里秦艽存在4 個STR 家族共線性基因對,而與四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨分別存在8、8 和10 個STR 家族共線性基因對,表明卵萼花錨的STR 基因家族與四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨的共線性較高。
3 討論
3.1 卵萼花錨STR 基因的進化關系
卵萼花錨是藏藥材藏茵陳的基原植物之一,從卵萼花錨中分離的單萜類吲哚生物堿龍膽苦苷具有保肝、利膽、抗炎等藥理作用[15-16, 25]。STR是植物萜類吲哚生物堿生物合成的關鍵酶[4]。鑒定卵萼花錨中龍膽苦苷合成關鍵酶基因STR,將為解析龍膽苦苷的生物合成途徑提供理論依據(jù)。目前,卵萼花錨STR 基因家族的相關研究報道較少。本研究從卵萼花錨基因組中鑒定得到10 個STR 基因,而在擬南芥、達烏里秦艽、四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨中分別有15、14、21、12和19 個STR 基因,整體數(shù)量相對接近。根據(jù)進化關系,將15 個AtSTR 基因分為6 組,分組結果與擬南芥及其他物種STR 基因所構建的進化樹[26]基本一致。這10 個HeSTR 基因被劃分至同源性最高的AtSTR 基因所屬的分支,其中HeSTR14.1~14.4 與其他植物中7 個已驗證功能的STR基因聚在同一分支。KIBBLE 等[27]研究表明:擬南芥的7 個STR 蛋白[At1g74000.1 (AtSTR12)、At-1g74020.1 (AtSTR13)、 At1g74010.1 (AtSTR14)、 At-3g51420 (AtSTR1)、At3g51430 (AtSTR2)、At3g5-1440 (AtSTR3) 和At3g51450 (AtSTR4)] 不具有STR活性。馬磊等[28]將At1g74000.1 (AtSTR12) 構建質粒進行異源表達,誘導表達出At1g74000.1蛋白。因此,與這7 個AtSTR 蛋白位于同一進化樹分支的HeSTR14.1~14.4 蛋白是否具有STR 活性,尚需進一步試驗驗證。此外,已有研究表明:At1g74000.1 (AtSTR12)、At1g74020.1 (AtSTR13)和At1g74010.1 (AtSTR14) 在植物非生物和生物脅迫反應中發(fā)揮著重要作用[27]。進化上同源關系較近的基因往往具有相似的生物學功能,由此推測HeSTR14.1~14.4 蛋白也可能參與調(diào)控卵萼花錨對脅迫反應的響應。
3.2 卵萼花錨和近緣種STR 的理化性質和共線性
本研究表明:10 個HeSTR 蛋白的理化性質相似, 絕大多數(shù)HeSTR 蛋白的氨基酸長度在300 個以上,且平均親水性均小于0,表明這些STR 蛋白多為親水性蛋白,這與長春花和鉤藤中STR 蛋白的親水性[29-30]基本相符?;蚪Y構分析表明:不同進化分支上的HeSTR 基因具有不同的外顯子和內(nèi)含子排列模式。同時,HeSTR 蛋白的基序分布較為保守,主要由motif1、2、3、4、5、6、7、8、9 組成。其中,motif1 與短小蛇根草、長春花和擬南芥的STR 蛋白具有相同的CGR、YIAD 和VGP 保守結構域[31],這表明STR 蛋白在不同物種間均具有較高的保守性。此外,STR 合成的異胡豆苷作為TIAs 的共同前體,在生物過程中具有重要作用;motif5 含有與喜樹STR 蛋白相同的EVXE 保守結構域,而與其他植物的STR 蛋白EHXE 結構域不同[32]。因此,STR 蛋白的功能需進一步驗證。
卵萼花錨種內(nèi)發(fā)現(xiàn)1 個共線性基因對(HeS-TR10.1 和HeSTR10.2),而與其他龍膽科植物的共線性分析發(fā)現(xiàn):卵萼花錨與達烏里秦艽的共線性基因對最少(4 個);與大花花錨的共線性基因對最多(10 個);與四數(shù)獐牙菜和花錨的共線性基因對數(shù)量多于與達烏里秦艽的數(shù)量,但少于與大花花錨的數(shù)量。卵萼花錨與其他4 種植物STR 基因對的數(shù)量符合龍膽科植物的系統(tǒng)發(fā)育關系。相較于達烏里秦艽,卵萼花錨與四數(shù)獐牙菜的親緣關系更近[33]。卵萼花錨和大花花錨原先為橢圓葉花錨的2 個變種[14],后被提升為2 個物種。物種間的共線性基因對可能存在于共同祖先分化之前,其數(shù)量與物種間的分化時間相關。分化時間較晚的物種積累的變異較少,會保留更多的同源基因。因此,卵萼花錨STR 家族成員與大花花錨基因組間的共線性極高,與花錨和四數(shù)獐牙菜也存在較高的共線性,這使得它們含有相似的特征化學成分,如酮類化合物和環(huán)烯醚萜類化合物[34-35],這兩類化合物也是龍膽科植物的主要藥效成分[36]。
4 結論
本研究利用擬南芥STR 蛋白序列鑒定了卵萼花錨、花錨、大花花錨、達烏里秦艽和四數(shù)獐牙菜的STR 基因家族。卵萼花錨的STR 基因家族共有10 個成員,進化分析將所有HeSTR 基因分為6 組,同一組的成員具有相似的基因結構和蛋白保守基序。HeSTR 蛋白的氨基酸數(shù)量介于189~388 個之間,除HeSTR14.1 外,其他HeSTR 蛋白均為親水性蛋白;HeSTR 基因的外顯子數(shù)量為3 或4 個;卵萼花錨的STR 基因家族成員與四數(shù)獐牙菜、花錨和大花花錨的共線性較高。研究結果為開展其他物種的STR 基因家族研究奠定了重要基礎。后續(xù)研究應結合轉錄組數(shù)據(jù),計算HeSTR基因在卵萼花錨不同組織和器官中的相對表達量,并驗證HeSTR 成員是否參與TIAs 的合成,以及是否在其他生物過程中受到調(diào)控。
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責任編輯:何承剛
基金項目:國家自然科學基金項目(32371586,32102429);青海省青藏高原特色生物資源研究重點實驗室開放課題。