水稻与拟南芥跨膜蛋白14家族的分子进化特征与功能分析
发布时间：2021-10-30 13:02
脂类既是植物生命活动重要的能量来源,也是细胞膜系统不可或缺的结构成分,在植物生长发育和逆境反应等生命活动过程中都起到至关重要的作用。随着脂类代谢研究的不断深入,植物脂类合成通路已渐渐明晰,其中连通不同细胞器间脂类合成中间物质运送的膜蛋白也正被不断发现,但对质体脂类转运蛋白还鲜有报道。跨膜蛋白14家族（Transmembrane 14 family, Tmemb14 family）是一个新发现的跨膜蛋白家族,目前只有拟南芥FAX1 （Fatty Acid Export 1）和斑马鱼TMEM14已被克隆鉴定,该家族其他成员的生物学功能还未见报道。AtFAX1参与植物质体长链脂肪酸的跨膜外运,其功能丧失显著降低植物生物量并影响花粉发育和育性。本研究通过生物信息手段对拟南芥和水稻中的跨膜蛋白14家族成员的进化关系、蛋白理化性质、结构域功能和编码基因的表达模式进行了分析,揭示了Tmemb14家族成员在单、双子叶植物进化中的功能分化,为进一步研究跨膜蛋白14家族成员的生理功能提供了理论依据。
【文章来源】：基因组学与应用生物学. 2020,39(03)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
At FAX1蛋白跨膜信号和亲疏水性的预测
其次，本研究利用TMHMM Server和ProtScale在线分析工具对蛋白跨膜结构域和亲疏水性进行了进一步分析，发现拟南芥和水稻跨膜蛋白14家族蛋白在这方面的一些共性：(1)Tmemb＿14跨膜结构域由4个独立且相似的超二级结构构成(4个疏水的α螺旋结构域)，均具有较高的疏水性，因此，在跨膜区易与长链脂肪酸特异性结合。除Os FAX7外，拟南芥和水稻跨膜蛋白14家族蛋白结构中没有其他的疏水信号。(2)在两侧非跨膜区和α螺旋结构之间出现不定个亲水域(图1)。以At FAX1为例，4个跨膜蛋白域中第2个超二级结构的跨膜信号预测结果被膜外信号超过(图2A)，结合蛋白三级结构预测结果(Li et al.,2015),AtFAX1的跨膜结构域属于TMEMB14C型，第2个超二级结构构象可能与其它3个平行的超二级结构呈一定空间角，因此不能实现跨膜。(3)4个超二级结构均对应高疏水域，靠近N端有两个亲水信号域在膜内，靠近C端有一个亲水信号域在膜外(图2B)。再次，本研究利用ProtScale对所有蛋白的脂溶指数和不稳定指数(Ⅱ)进行了计算。结果表明(表2)，拟南芥和水稻的跨膜蛋白14家族蛋白的脂溶指数都超过了70，其中AtFAX5和AtFAX7的脂溶指数超过了110，有极强的脂溶性和较高的热稳定性。同时具有较强亲水域和疏水域的蛋白一般都是不稳定蛋白，另外，ProtScale中预测不稳定指数(Ⅱ)超过40的蛋白也为不稳定蛋白(Gasteiger et al.,2005)。据此判断，仅有AtFAX5、AtFAX6和AtFAX7属于稳定蛋白，其余10个跨膜蛋白14家族蛋白理论上都为不稳定蛋白。
软件预测和实际定位实验结果都表明AtFAX1是定位在叶绿体内膜的跨膜蛋白(表1)(Li et al.,2015)。本研究的预测结果发现，除了具有极强疏水性的跨膜区域外，AtFAX蛋白还具有较强的亲水性。AtFAX1蛋白N端具有强亲水性，游离在叶绿体基质之中；C端也同样具有较高的亲水性，游离于叶绿体双层膜的膜间间隙中。因为AtFAX1有疏水性的跨膜区域，可以方便地结合疏水性的脂肪酸，从而实现跨膜转运。然而，AtFAX1非跨膜区并不存在其它疏水区域，因此，AtFAX1实现脂肪酸的动态转运的机制目前还不清楚。本研究注意到At FAX1的非跨膜区还有很多潜在磷酸化位点和亲水信号，这些亲水区域及其磷酸化位点是否与At FAX1的脂类运输有关？这些区域和位点是否与信号传导或与蛋白互作相关？尽管详细的分子机制值得后续进一步的实验证明，本研究的生信分析结果表明，跨膜蛋白14家族(AtFAX5,AtFAX6和AtFAX7除外)可能是同时拥有强疏水和强亲水性的脂类转运蛋白。图4 拟南芥和水稻跨膜蛋白14家族蛋白编码基因在生殖发育过程中的表达模式及聚类分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]拟南芥脂肪酸外运蛋白FAX1影响雄性生殖发育的机制[J]. 刘艳艳,陈雨沁,石垒,石建新. 植物生理学报. 2018(01)
本文编号：3466778
【文章来源】：基因组学与应用生物学. 2020,39(03)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
At FAX1蛋白跨膜信号和亲疏水性的预测
其次，本研究利用TMHMM Server和ProtScale在线分析工具对蛋白跨膜结构域和亲疏水性进行了进一步分析，发现拟南芥和水稻跨膜蛋白14家族蛋白在这方面的一些共性：(1)Tmemb＿14跨膜结构域由4个独立且相似的超二级结构构成(4个疏水的α螺旋结构域)，均具有较高的疏水性，因此，在跨膜区易与长链脂肪酸特异性结合。除Os FAX7外，拟南芥和水稻跨膜蛋白14家族蛋白结构中没有其他的疏水信号。(2)在两侧非跨膜区和α螺旋结构之间出现不定个亲水域(图1)。以At FAX1为例，4个跨膜蛋白域中第2个超二级结构的跨膜信号预测结果被膜外信号超过(图2A)，结合蛋白三级结构预测结果(Li et al.,2015),AtFAX1的跨膜结构域属于TMEMB14C型，第2个超二级结构构象可能与其它3个平行的超二级结构呈一定空间角，因此不能实现跨膜。(3)4个超二级结构均对应高疏水域，靠近N端有两个亲水信号域在膜内，靠近C端有一个亲水信号域在膜外(图2B)。再次，本研究利用ProtScale对所有蛋白的脂溶指数和不稳定指数(Ⅱ)进行了计算。结果表明(表2)，拟南芥和水稻的跨膜蛋白14家族蛋白的脂溶指数都超过了70，其中AtFAX5和AtFAX7的脂溶指数超过了110，有极强的脂溶性和较高的热稳定性。同时具有较强亲水域和疏水域的蛋白一般都是不稳定蛋白，另外，ProtScale中预测不稳定指数(Ⅱ)超过40的蛋白也为不稳定蛋白(Gasteiger et al.,2005)。据此判断，仅有AtFAX5、AtFAX6和AtFAX7属于稳定蛋白，其余10个跨膜蛋白14家族蛋白理论上都为不稳定蛋白。
软件预测和实际定位实验结果都表明AtFAX1是定位在叶绿体内膜的跨膜蛋白(表1)(Li et al.,2015)。本研究的预测结果发现，除了具有极强疏水性的跨膜区域外，AtFAX蛋白还具有较强的亲水性。AtFAX1蛋白N端具有强亲水性，游离在叶绿体基质之中；C端也同样具有较高的亲水性，游离于叶绿体双层膜的膜间间隙中。因为AtFAX1有疏水性的跨膜区域，可以方便地结合疏水性的脂肪酸，从而实现跨膜转运。然而，AtFAX1非跨膜区并不存在其它疏水区域，因此，AtFAX1实现脂肪酸的动态转运的机制目前还不清楚。本研究注意到At FAX1的非跨膜区还有很多潜在磷酸化位点和亲水信号，这些亲水区域及其磷酸化位点是否与At FAX1的脂类运输有关？这些区域和位点是否与信号传导或与蛋白互作相关？尽管详细的分子机制值得后续进一步的实验证明，本研究的生信分析结果表明，跨膜蛋白14家族(AtFAX5,AtFAX6和AtFAX7除外)可能是同时拥有强疏水和强亲水性的脂类转运蛋白。图4 拟南芥和水稻跨膜蛋白14家族蛋白编码基因在生殖发育过程中的表达模式及聚类分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]拟南芥脂肪酸外运蛋白FAX1影响雄性生殖发育的机制[J]. 刘艳艳,陈雨沁,石垒,石建新. 植物生理学报. 2018(01)
本文编号：3466778
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/swxlw/3466778.html
