胡麻SUC基因家族的鑒定與生物信息學分析

齊燕妮 李聞娟 王利民 趙 瑋 黨 照 謝亞萍 張建平

摘要：利用多個物種的SUC基因蛋白序列在胡麻基因組內進行BlastP分析，通過Pfam確認結構域，獲得胡麻SUC基因家族成員，并進行基因結構分析;對蛋白分子量、等電點、信號肽、跨膜結構域、糖基化修飾位點、亞細胞定位、Motif及二級結構進行預測。結果鑒定得到12個胡麻SUC基因家族成員，大部分成員含有4個以上的外顯子，10個以上跨膜結構域，并獲4個特征性Motif。進化樹分析顯示，胡麻SUC分別屬于SUT1、SUT2和SUT4家族。

關鍵詞：胡麻;SUC基因家族;基因結構分析;系統進化分析

中圖分類號：S565.9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1001-1463（2019）08-0035-06

Abstract：In this study， multiple SUC protein sequences were analyzed in flax genome using BlastP， and the structural domain was confirmed by Pfam. The members of the SUC gene family were obtained. The analysis of gene structure， prediction of protein molecular weight， isoelectric point， signal peptide， transmembrane domain， glycation modification site， subcellular localization， Motif and secondary structure were carried out on the family menbers. The results showed that 12 members of flax SUC gene family were identified， containing 4 characteristic motifs， most of which had more than 4 exons， more than 10 transmembrane domains. The evolutionary tree analysis showed that flax SUC belonged to SUT1， SUT2 and SUT4 families， respectively.

Key words：Flax; SUC gene family; Gene structure analysis; Phylogeny analysis

胡麻（Linum usitatissimum L.）即油用亞麻，屬于亞麻科亞麻屬，主要種植在中國、加拿大、印度[1 - 2 ]。胡麻籽含油率在40%以上，油脂中含有豐富的不飽和脂肪酸，特別是α-亞麻酸含量在55%左右，是人類從膳食中攝取α-亞麻酸的最好來源之一[1，3 ]。α-亞麻酸具有多種營養和保健功能，包括增強大腦健康和提高智力、預防和治療高血壓、抗癌、預防心腦血管疾病、降低血液膽固醇等[4 - 5 ]。由于人們對健康的日益重視，亞麻籽已經被廣泛應用于奶制品、肉制品、烤制品等多種功能性食品[6 ]。

蔗糖是植物的主要光合作用產物，大部分蔗糖需運輸到其他組織中代謝或儲存。蔗糖可通過胞間連絲在細胞間短距離運輸，然而長距離的運輸則需要通過韌皮部，需要SWEET （Sugars Will Eventually be Exported Transporters）蛋白和蔗糖轉運蛋白（sucrose transporters or carriers，SUT/SUC）共同來完 成[7 - 8 ]。蔗糖作為脂肪酸合成的主要底物，由蔗糖轉運蛋白運輸到種子細胞中[9 ]，因此蔗糖轉運蛋白的轉運效率直接影響種子含油率。蔗糖轉運蛋白屬于MFS（major facilitator superfamily），通常含有12個跨膜結構域[10 ]。基于系統發育分析，SUT家族分為5個亞家族，其中為SUT1為雙子葉植物特有，SUT3和SUT5為單子葉植物所特有，SUT2和SUT4為單子葉和雙子葉植物共有[11 ]。

近年來，多個植物基因組數據相繼被公布，這為基因家族的研究奠定了基礎。目前已經從擬南芥（Arabidopsis thaliana）[12 ]、葡萄（Vitis vinifera L.）[13 ]、蘋果[14 ]、水稻（Oryza sativa）[15 ] 等基因組中鑒定到SUT基因家族，但對胡麻SUT的研究相對較少。我們利用生物信息學方法鑒定了胡麻基因組中SUT基因家族成員，并分析其基因結構、蛋白理化性質、保守基序及系統進化，以期為克隆和深入研究胡麻SUC基因家族各成員的生物學功能奠定基礎。

1? ?材料與方法

1.1? ?胡麻SUC基因家族鑒定

從擬南芥數據庫TAIR中獲得9個擬南芥SUC基因的蛋白序列，從NCBI獲得油菜、大豆、水稻、煙草、玉米、葡萄等物種的SUC蛋白序列（登錄號分別為AEG89530.1、NP_001335852.1、AAF90181.1、BAO47334.1、BAA83501.1、AAL32020.1）。使用BlastP，將這些序列與胡麻全基因組蛋白數據庫進行比對，E值小于等于1E-5，并用Pfam對比對得到的蛋白序列進行確認（SUC蛋白結構域Pfam號為PF13347.1）。

1.2? ?SUC基因家族的基因及蛋白序列分析

利用IBS在線工具繪制基因結構圖，采用Expasy分析蛋白質的分子量、等電點，通過SignalP-5.0預測胡麻SUC蛋白的信號肽，采用SOSUI進行跨膜結構預測，用NetNGlyc 1.0對糖基化修飾位點在線預測。使用Plant-mPloc進行蛋白的亞細胞定位預測，利用MEME對胡麻SUC蛋白保守基序進行分析。

1.3? ?SUC基因家族的系統進化分析

利用MEGA6.0軟件對胡麻和擬南芥的SUC氨基酸序列進行多重比對，將比對結果用Maximun Likelihood法構建系統進化樹，Bootstrap校驗值為1 000次。

1.4? ?SUC蛋白的二級結構分析

利用SOPMA對胡麻SUC蛋白的次級結構進行分析。

2? ?結果與分析

2.1? ?胡麻SUC基因家族的鑒定及理化性質分析

以擬南芥9個SUC基因和油菜、大豆、水稻、煙草、玉米、葡萄SUC基因的氨基酸序列對胡麻基因組進行BLASTP分析，獲得28條期望值小于1E-5的候選序列。用Pfam對這些序列進行結構域注釋，發現有12條序列含有SUC家族的保守結構域MFS_2，將這些基因分別命名為LuSUC1～ LuSUC12（表1）。

比較分析12個胡麻SUC蛋白序列，結構顯示不同的蛋白差異較大。蛋白長度為252（LuSUC8）～952 aa（LuSUC4），分子量為26 863.30（LuSUC8）～101 956.83 Da（LuSUC4），等電點為5.99（LuSUC10）～9.42（LuSUC3），糖基化位點為0（LuSUC7、LuSUC8）～5（LuSUC10），跨膜結構域為6（LuSUC7、LuSUC8）～13（LuSUC5）。對上述序列進行信號肽預測，發現所有序列均無信號肽。亞細胞定位預測結果顯示，所有基因都定位在細胞膜，其中LuSUC3和LuSUC4除細胞膜外還定位在葉綠體、細胞質、細胞核中。在胡麻的12個SUC蛋白二級結構中，α- 螺旋所占比例最大（41.58%），其次為無規卷曲（37.48%）、β-折疊（16.62%）、β- 轉角所占比例最小（4.78%）（表2）。

2.2? ?胡麻SUC基因家族的基因結構及motif預測

為進一步分析胡麻SUC基因家族的功能，需根據其DNA序列和CDS序列分析其基因結構（表1，圖1）。除LuSUC6和LuSUC7只含有1個外顯子，沒有內含子外，其余10個基因均含有數量不等的外顯子和內含子，外顯子數量為2 （LuSUC8）～13（LuSUC9），內含子數量為1（LuSUC8）～12（LuSUC9）。Motif預測結果表明，Motif1、Motif2、Motif6和Motif 7為SUC家族的特征性、保守性Motif。這12個基因共預測到22個Motif，除LuSUC8只含有4個特征性Motif外，其余11個基因都含有Motif11。另外，除LuSUC7和LuSUC8外，有10個基因還含有Motif3、Motif4、Motif5、Motif8、Motif9和Motif15，還有9個基因含有Motif10，說明Motif11、Motif4、Motif5、Motif8、Motif9、Motif15和Motif10的功能也相當保守（圖2）。

2.3? ?胡麻SUC基因家族的系統進化分析

采用MEGA6.0中的ClustalW，將胡麻和模式植物擬南芥SUC基因的氨基酸序列進行序列比對（圖3），并用比對后的結果采用Maximun Likelihood法構建系統進化樹（圖4）。序列比對結果顯示，植物SUC蛋白存在許多保守的氨基酸位點，這些位點所在的區域應為該蛋白的保守功能區。從進化樹上可以看出，胡麻SUT基因分為3個家族，LuSUC1～LuSUC8與擬南芥的AtSUC1、AtSUC2、AtSUC5、AtSUC6、AtSUC7、AtSUC8、AtSUC9聚在一起，屬于SUT1家族;LuSUC9和LuSUC10與屬于SUT2家族的擬南芥AtSUC3聚為一支;而LuSUC11和LuSUC12與屬于SUT4家族的擬南芥AtSUC4聚為一支。

3? ?結論與討論

從胡麻基因組鑒定得到12個SUC基因家族成員，并對其進行了生物信息學分析。12個SUC基因外顯子數量為2～13，編碼蛋白長度為252～952 aa，含有6～13個跨膜結構域，4個特征性Motif。系統進化樹分析顯示，胡麻SUC分別屬于SUT1、SUT2和SUT4家族，與雙子葉植物擬南芥分類結果相同[12 ]。

總體來看，胡麻SUC基因家族成員之間雖然具有比較保守的功能結構域，但蛋白長度及序列、基因結構、跨膜結構域數量等也存在明顯的差異，需進行更全面的研究，才能深入解析每個家族成員的功能。

參考文獻：

[1] OOMAH，B D.? Flaxseed as a functional food source[J].? Journal of the Science of Foodand Agriculture，2001（81）：889-894.

[2] 張運暉，趙? ?瑛，羅俊杰.? 甘肅胡麻產業發展淺議[J].? 甘肅農業科技，2013（7）：54-55.

[3] GREEN A G.? Genetic control of polyunsaturated fatty acid biosynthesis in flax（Linum usitatissimum） seed oil[J].? Tag.? Theoretical & Applied Genetics，1986（72）：654-661.

[4] SIMOPOULOS A P.? Essential fatty acids in health and chronic disease[J].? American Journal of Clinical Nutrition，1999（70）：560-569.

[5] PELLIZZON M A，BILLHEIMER J T， BLOEDON A T，et al.? Flaxseed reduces plasma cholesterol levels in hypercholesterolemic mouse models [J].? J. Am. Oil. Chem. Soc.，2007（26）：66-75.

[6 ] GOYAL A， SHARMA V， UPADHYAY N， et al.? Flax and flaxseed oil：an ancient medicine & modern functional food[J].? J. Food Sci. Technol.，2014（9）：1633-1653.

[7] EOM JS，CHEN LQ，SOSSO D，et al.? SWEETs，transporters for intracellular and intercellular sugar translocation[J].? Curr. Opin. Plant Biol.，2015（25）：53-62.

[8] SAUER N. Molecular physiology of higher plant sucrose transporters[J].? FEBS Lett，2007（581）：2309-2317.

[9] HARITATOS E，MEDVILLE R，TURGEON R.? Minor vein structure and sugar transport in Arabidopsis thaliana[J].? Planta，2000（211）：105-111.

[10] REINDERS A，SIVITZ A B，WARD J M.? Evolution of plant sucrose uptake transporters [J].? Front. Plant Sci.，2012（3）：22.

[11] KUHN C，GROF C P L.? Sucrose transporters of higher plants[J].? Current Opinion in Plant Biology，2010（13）：287-298.

[12] 高? ?蕾，肖文芳，李文燕，等.? 擬南芥蔗糖轉運蛋白（SUTs）的功能研究進展[J].? 分子植物育種，2011（9）：251-255.

[13] 于? ?菲，盧? ?江，張雅麗.? 葡萄中蔗糖轉運蛋白家族的序列分析及功能推測[J].? 生物信息學，2011（9）：35-38.

[14] 史? ?鵬.? 蘋果蔗糖轉運蛋白基因的生物信息學分析[J].? 山西農業科學，2019（47）：966- 969;1039.

[15] AOKI N， HIROSE T， SCOFIELD G N， et al.? The sucrose transporter gene family in rice [J]. Plant and Cell Physiology，2003（44）： 223-232.

（本文責編：陳? ? 珩）