艾纳香为贵州十大苗药之一,具有较高的药用价值,其萜类化合物可预防虫害、影响花的香味及果实风味。(+)−新薄荷醇脱氢酶(MNR)是一种单萜脱氢酶,参与单萜物质(+)−新薄荷醇和(+)−异薄荷醇的合成。本文通过RT-PCR技术从艾纳香中克隆到BbMNR1基因,并进行生物信息学分析。结果表明,BbMNR1基因完整开放阅读框全长为903 bp,共编码300个氨基酸。BbMNR1序列生物信息学显示,该蛋白分子量为32.57 KDa,理论等电点为5.41,属于非跨膜亲水性稳定蛋白,定位于细胞质。BbMNR1蛋白二级结构中以α-螺旋为主,占总结构的47.67%,与三级结构预测相符。系统进化树分析可得,艾纳香BbMNR1与曼陀罗花(Datura stramonium)和辣椒(Capsicum annuum)亲缘关系最近。本研究将为进一步研究BbMNR1调控萜类化合物生物合成的分子机理奠定基础,同时也为改善艾纳香的品质提供理论支撑。 As one of the ten major Miao medicines in Guizhou Province, the terpenoids of the Blumea balsamifera have high medicinal value, which can prevent insect pests and fruit flavor. (+)−neomenthol dehydrogenase (MNR) is a monoterpene dehydrogenase involved in the synthesis of the monoterpenes (+)−neomenthol and (+)−isomenthol. In this study, BbMNR1 was cloned by RT-PCR and subjected to bioinformatic analysis. The results showed that the complete open reading frame of the BbMNR1 gene was 903 bp and encodes 300 amino acids. Bioinformatic analysis showed that the protein was a non-transmembrane hydrophilic stable protein with a molecular weight of 32.57 KDa and a theoretical isoelectric point of 5.41. The secondary structure of BbMNR1 protein is dominated by α-helix, accounting for 47.67% of the total structure, which is consistent with the prediction of the tertiary structure. Phylogenetic tree analysis showed that BbMNR10, Datura stramonium and Capsicum annuum was closely related. This study will lay a foundation for further research of the molecular mechanism of BbMNR1 regulating the biosynthesis of terpenoids and also provide theoretical support for improving the quality of Blumea balsamifera.
艾纳香为贵州十大苗药之一,具有较高的药用价值,其萜类化合物可预防虫害、影响花的香味及果实风味。(+)−新薄荷醇脱氢酶(MNR)是一种单萜脱氢酶,参与单萜物质(+)−新薄荷醇和(+)−异薄荷醇的合成。本文通过RT-PCR技术从艾纳香中克隆到BbMNR1基因,并进行生物信息学分析。结果表明,BbMNR1基因完整开放阅读框全长为903 bp,共编码300个氨基酸。BbMNR1序列生物信息学显示,该蛋白分子量为32.57 KDa,理论等电点为5.41,属于非跨膜亲水性稳定蛋白,定位于细胞质。BbMNR1蛋白二级结构中以α-螺旋为主,占总结构的47.67%,与三级结构预测相符。系统进化树分析可得,艾纳香BbMNR1与曼陀罗花(Datura stramonium)和辣椒(Capsicum annuum)亲缘关系最近。本研究将为进一步研究BbMNR1调控萜类化合物生物合成的分子机理奠定基础,同时也为改善艾纳香的品质提供理论支撑。
艾纳香,(+)−新薄荷醇脱氢酶基因,生物信息学,原核表达
Dejing Kong*, Jinli Liang*, Xianhong Luo, Wenwen Sun, Lin Liang, Zhigang Ju#
Pharmacy School, Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang Guizhou
Received: Jan. 15th, 2024; accepted: Mar. 13th, 2024; published: Mar. 19th, 2024
As one of the ten major Miao medicines in Guizhou Province, the terpenoids of the Blumea balsamifera have high medicinal value, which can prevent insect pests and fruit flavor. (+)−neomenthol dehydrogenase (MNR) is a monoterpene dehydrogenase involved in the synthesis of the monoterpenes (+)−neomenthol and (+)−isomenthol. In this study, BbMNR1 was cloned by RT-PCR and subjected to bioinformatic analysis. The results showed that the complete open reading frame of the BbMNR1 gene was 903 bp and encodes 300 amino acids. Bioinformatic analysis showed that the protein was a non-transmembrane hydrophilic stable protein with a molecular weight of 32.57 KDa and a theoretical isoelectric point of 5.41. The secondary structure of BbMNR1 protein is dominated by α-helix, accounting for 47.67% of the total structure, which is consistent with the prediction of the tertiary structure. Phylogenetic tree analysis showed that BbMNR10, Datura stramonium and Capsicum annuum was closely related. This study will lay a foundation for further research of the molecular mechanism of BbMNR1 regulating the biosynthesis of terpenoids and also provide theoretical support for improving the quality of Blumea balsamifera.
Keywords:Blumea balsamifera, (+)−Neomenthol Dehydrogenase Gene, Bioinformatics, Prokaryotic Expression
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艾纳香(Blumea balsamifera)属菊科(Compositae)艾纳香属(Blumea)植物,多为一年或多年生草本、亚灌木或灌木,常年有香气,是贵州十大苗药之一,也是贵州重点发展的中药材品种之一 [
新薄荷醇是一种环状单萜类化合物,是薄荷精油中薄荷醇的立体异构体 [
本研究所用艾纳香(Blumea balsamifera)和Jm109感受态由本实验室保存。RNA提取试剂盒为康为世纪生物科技有限公司;DL2000 maker、pMD18-T、PCR扩增试剂、核酸内切酶和逆转录试剂盒为宝生物工程(大连)有限公司;琼脂糖为北京索莱宝科技有限公司;DNA纯化回收试剂盒、质粒提取试剂盒为购自天根生化科技(北京)有限公司。
采集I期(芽)、II期(幼叶)、III期(嫩叶)、IV期(成熟期)、V期(衰亡期)新鲜艾纳香叶片提取其RNA送北京百迈客生物科技有限公司构建转录组文库,通过基因注释筛选候选基因。并将RNA逆转录为cDNA,利用Primer Premier 5.0软件设计特异引物(表1),以艾纳香cDNA为模板,特异性扩增出目的片段经琼脂糖凝胶回收与pMD18-T载体连接,转入Jm109感受态细胞,通过对单克隆菌落进行PCR验证及酶切验证为阳性克隆后,送生工送生工生物工程(上海)有限公司测序。
引物名称 Primer name | 引物序列(5’-3’) Primer sequence (5’-3’) |
---|---|
BbMNR1-F | ACTTTAAGTTCATCGCCTCC |
BbMNR1-R | CGTTCATTCAAAGGATGCTATACC |
表1. 本研究所用引物
运用DNAMAN和MEGA软件进行多序列比对及系统进化树的构建,利用生物信息学软件(表2)对BbMNR1氨基酸序列蛋白质理化性质、二级结构以及三级结构分析。
生物信息学分析 Bioinformatics analysis | 软件名称 Software brand | 网址 Website |
---|---|---|
蛋白同源性检索 | NCBI | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ |
蛋白理化性质分析 | ExPASy-ProParam | https://web.expasy.org/protparam/ |
跨膜结构分析 | TMHMM | http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/ |
信号肽分析 | SignalP 5.0 | https://services.healthtech.dtu.dk/service.php/SignalP-5.0 |
结构域的预测 | NCBI | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi |
亚细胞定位 | Softberry | http://www.softberry.com/ |
二级结构 | Predictprotein | https://predictprotein.org/visual_results?req_id=$2y$10$IjbYqN7hgHwl1PiuaQG9TuisPphbMBdn8ecnekbXq60HnEH6bW8mi |
三级结构 | SWISS-MODEL | https://swissmodel.expasy.org/ |
三级结构评估 | SAVES | https://saves.mbi.ucla.edu/ |
表2. 生物信息学分析软件
本研究基于本课题组前期得到的艾纳香转录组数据,筛选出五条候选的MNR基因,其中基因BbMNR1 (序列号:F01_transcript_29671)在艾纳香叶片中表达量最高(图1(A))。以艾纳香总RNA (图1(B))为模板,并设计引物,通过RT-PCR技术克隆得到一条大小为903 bp基因(图1(C)),PCR胶回收产物与pMD18-T载体连接,并转入Jm109感受态中。通过菌液扩增(图1(D))及酶切产物(图1(E)) 1%琼脂糖凝胶电泳,确定为阳性克隆,将重组质粒送生工生物有限公司测序。测序结果与转录组数据相符,BbMNR1基因开放阅读框(ORF)如(图1(F)),菌种−80℃保存。
图1. 艾纳香BbMNR1基因克隆
注:M:DL 2000 DNA marker;A:转录组数据;B:总RNA;C:PCR扩增;D:琼脂糖凝胶回收产物;E:酶切验证;F:ORF序列。
图2. 艾纳香BbMNR1与其他植物蛋白多序列比对
本研究利用NCBI在线Blastp对BbMNR1蛋白同源序列比对后发现,BbMNR1基因编码的蛋白序列与其他植物MNR序列进行多序列比对,包括薄荷(Mentha x piperita) (5L51.A)、大豆(Glycine max) (XP_014626312.1)、拟南芥(Arabidopsis thaliana) (Q9M2E2.1)、辣椒(Capsicum annuum) (B2X050.1)、薄荷(Mentha x piperita) (Q6WAU1.1)、曼陀罗花(Datura stramonium) (MCD9643570.1)、毛果杨(Populus trichocarpa) (XP_002301348.2)、麻风树(Jatropha curcas) (XP_012083439.1)、大桉(Eucalyptus grandis) (XP_018727894)、木薯(Manihot esculenta) (XP_021615637.1)、橡胶树(Hevea brasiliensis) (XP_058008369.1)、辣椒(Capsicum annuum) (KAF3616948.1)、葡萄藤(Vitis vinifera) (RVW27891.1)、苦楝(Melia azedarach) (KAJ4726980.1) (图2)。他们均具有经典的短链脱氢酶/还原酶(SDR)活性位点基序 GXXXGXG (图2红色方框)和YXXXK (图2黑色方框),艾纳香BbMNR1与曼陀罗花、辣椒相似度分别为68.33%、67.24%,可能行使相似的功能。
图3. 艾纳香BbMNR1和其他同源蛋白的系统进化树
利用MEGA软件对得到的BbMNR序列进行系统进化树的构建,采用邻近法构建进化树,发现艾纳香BbMNR1与曼陀罗花和辣椒聚为一支(图3),说明其亲缘关系较近。
本研究运用ProtParam tool在线工具对BbMNR1蛋白序列进行基本理化性质分析,结果显示,该蛋白由300个氨基酸编码组成,相对分子质量为32.57 kDa,分子式为C1447H2299N387O446S10,等电点为5.41,不稳定系数为21.94,平均亲水系数为−0.112,脂肪族氨基酸指数为92.63。NCBI CDD数据库显示该蛋白具有card-red-PTCR-like-SDR结构域,属于NADB-Rossmann superfamily (图4(A))。亲疏水性预测分析显示,疏水性最强的是第151、251位氨基酸残基,指数为1.7;亲水性最强的是第115位氨基酸残基,指数为−2.2 (图4(B))。BbMNR1蛋白不存在跨膜结构域(图4(C)),不含信号肽(图4(D)),为非分泌蛋白。亚细胞定位预测结果显示,BbMNR1蛋白定位于细胞质。
二级结构预测结果显示,BbMNR1蛋白的二级结构中含47.67%的α-螺旋、28.67%的无规则卷曲、14.67%的延伸链、9.00%的β-折叠(图4(E))。运用SWISS-MODEL以薄荷新薄荷醇脱氢酶(MpMNR,ID:5l51.1.A)为模板进行同源建模,对BbMNR1蛋白的三级结构进行预测(图4(F)),结果显示,该蛋白与模板的同源性为54.21%;全局模型质量估计(Global Model Quality Estimation, GMQE)值为0.79。
图4. 生物信息学分析
注:A:结构域预测;B:疏水性预测;C:跨膜结构域预测;D:信号肽预测;E:二级结构预测 F:三级结构预测。
新薄荷醇是一种环状单萜类化合物,与薄荷醇具有相似的原子排列及稳定性差异。新薄荷醇脱氢酶基因(MNR)在新薄荷醇的合成中途径中起到至关重要的作用,MNR属于氧化还原酶家族 [
早期研究发现,重组MNR酶可将(−)−薄荷酮转化为95% (−)−(3R)−薄荷醇和5% (+)−(3S)−新薄荷脑,将(+)−异薄荷酮转化为87% (+)−(3S)−新异薄荷脑和13% (+)−(3S)−异薄荷脑。有研究表明,与MMR相比MNR对薄荷酮还原的催化效率低约2000倍 [
本研究根据艾纳香转录组数据,克隆得到903 bp大小的BbMNR1基因。并进行生物信息学分析,结果显示该蛋白为不稳定的亲水性的非分泌蛋白,且该蛋白具有经典的SDR保守结构域,属于NADB-Rossmann超家族。大多数脱氢酶具有至少2个结构域,第一个结构域在序列N末端与辅酶(通常是NAD)结合,第二个结构域与底物结合。后一个结构域决定底物特异性并包含参与催化的氨基酸 [
基因克隆技术已愈发成熟,可从动植物及微生物中克隆到具有特定功能的基因,如猪 [
本研究由贵中医大创合字(2021) 36号、贵州省科技厅基础研究项目(黔科合基础[
孔德静,梁进丽,罗贤红,孙雯雯,梁 琳,鞠志刚. 艾纳香BbMNR1基因克隆及生物信息学分析 Cloning and Bioinformatics Analysis of BbMNR1 Gene from Blumea balsamifera[J]. 生物过程, 2024, 14(01): 15-22. https://doi.org/10.12677/BP.2024.141003
https://doi.org/10.1007/s00114-005-0055-0
https://doi.org/10.1016/j.jare.2021.06.003
https://doi.org/10.1104/pp.104.053306