LEA - abc

水 稻 LEA 蛋 白 生 物 信 息 学 分 析 及
功 能 分 析
2012 年 寒 假 班 3 组
曹 建
祝 步 拓
李 田 田
张 华 光

实 验 背 景

Introduction
LEA 蛋 白
(late embryogenesis
abundant)
胚 胎 晚 期 富 集 蛋 白
LEA 基 因 是 在 种 子 成
熟 和 发 育 阶 段 表 达 的
基 因 , 在 种 子 发 育 过 程
中 的 胚 胎 晚 期 引 起 LEA
蛋 白 的 高 度 富 集 .
除 此 之 外 , 在 植 物 受
到 干 旱 、 低 温 和 盐 渍
等 环 境 胁 迫 后 造 成 脱
水 的 营 养 组 织 中 ,LEA
基 因 也 有 所 表 达 。

Xu 等 (1996) 将 大 麦 的 LEA 蛋 白 基 因
(HVA1) 转 入 水 稻 中 , 发 现 该 蛋 白 在 转 基
因 水 稻 的 根 和 叶 中 大 量 表 达 , 第 二 代 转 基
因 水 稻 明 显 表 现 出 抗 旱 和 抗 盐 的 功 能 , 而
且 提 高 的 幅 度 与 LEA 蛋 白 的 表 达 量 一 致 。

拟 南 芥 中 的 LEA 蛋 白 的 三 维 结 构

LEA 蛋 白 的 分 类
LEA1
LEA1 蛋 白 高 度 亲 水 , 其 序 列
内 含 20 个 氨 基 酸 的 保 守 基 序
(TRKEQG[T/E]EGY[Q/K]EMGR
KGG[L/E])
LEA2( 脱 水 素 )
• 通 常 具 有 由 15 个 氨 基 酸 组
成 的 K 片 段
(EKKGIMDKIKEKLPG)

LEA3
具 有 高 保 守 的 11- 氨 基 酸 序 列
(TAQAAKEKAGE)
LEA4
• N 端 多 为 由 70~80 个 氨 基
酸 组 成 的 保 守 区 域

LEA5
• LEA5 蛋 白 与 其 他 LEA 蛋 白
相 比 有 较 大 差 异 。
• 它 通 常 含 有 高 比 例 疏 水 氨
基 酸 残 基 , 且 不 具 有 对 热
的 稳 定 特 性 。LEA5 蛋 白 为
球 蛋 白
LEA6
• LEA6 蛋 白 序 列 内 有 4 个 保
守 基 序 。 其 中 的 基 序 1
(LEDYKMQGYGTQGHQQPKP
GRG) 和 基 序
2(GSTDAPTLSGGAV) 高 度 保
守 , 且 基 序 下 划 线 部 分 的
氨 基 酸 序 列 在 已 发 现 的 36
个 LEA6 蛋 白 中 的 保 守 性 可
达 100%

LEA 蛋 白 的 保 护 作 用 机 制
1.LEA 蛋 白 对 蛋 白 质 的 保 护 作 用 及 其 机 制
• 冻 融 和 干 燥 引 起 的 脱 水 可 导 致 乳 酸 脱 氢 酶 、 苹 果 酸 脱 氢 酶 、
延 胡 索 酸 酶 和 异 硫 氰 酸 酶 活 性 的 下 降 甚 至 完 全 丧 失 。LEA
蛋 白 可 通 过 保 护 这 些 酶 的 活 性 , 起 到 保 护 细 胞 及 细 胞 器 的
作 用 .
• LEA 蛋 白 也 可 能 通 过 蛋 白 质 间 的 相 互 作 用 保 护 蛋 白 质 活 性 。
干 燥 蛋 白 形 成 大 量 α- 螺 旋 , 后 者 可 与 部 分 变 性 的 蛋 白 质 的
疏 水 基 团 互 作 , 起 到 稳 定 蛋 白 质 的 作 用 .

2.LEA 蛋 白 与 非 还 原 性 糖 互 作 的 玻 璃 化 模 型
• 在 胁 迫 条 件 下 , 生 物 体 内 非 还 原 糖 ( 如 蔗 糖 和 海 藻
糖 ) 的 合 成 和 积 累 增 加 , 形 成 玻 璃 化 状 态 。 同 时 ,
细 胞 内 大 量 表 达 的 LEA 蛋 白 可 参 与 非 还 原 糖 的 玻
璃 态 形 成 过 程 。 在 干 燥 胁 迫 下 ,LEA 蛋 白 可 形 成
α- 螺 旋 结 构 , 继 而 形 成 微 纤 维 。 这 不 仅 有 助 于 增
强 细 胞 的 机 械 稳 定 性 , 提 高 细 胞 质 玻 璃 体 的 强 度 ,
增 强 细 胞 质 粘 滞 性 , 抑 制 了 有 害 分 子 在 细 胞 内 的
扩 散

3. 与 细 胞 膜 结 构 的 结 合 及 对 膜 的 稳 定 作 用
• 转 基 因 实 验 结 果 显 示 , 转 大 麦 HVA1 基 因
的 水 稻 经 干 旱 胁 迫 后 , 细 胞 膜 透 性 降 低 ,
表 明 过 量 表 达 的 HVA1 蛋 白 可 通 过 保 护 细
胞 膜 提 高 植 株 抗 旱 性 .
• 胁 迫 发 生 时 , 线 粒 体 基 质 中 的 LEA 蛋 白 也
可 保 护 线 粒 体 内 膜

4. 结 合 金 属 离 子
LEA 蛋 白 可 螯 合 过 多 的
离 子 , 减 轻 离 子 毒 害 ,
这 可 能 是 LEA 蛋 白 的 一
个 重 要 功 能 .
5. 保 护 DNA
• 柑 橘 的 COR15 蛋 白 在
Zn2+ 作 用 下 可 与 DNA
和 tRNA 发 生 非 特 异 相
互 作 用 。LEA 蛋 白 序 列
中 富 含 组 氨 酸 和 赖 氨
酸 的 结 构 域 可 能 在 与
DNA 互 作 时 起 关 键 作
用 。 以 上 研 究 表 明
CuCOR15 蛋 白 可 能 对
DNA/RNA 有 一 定 的 保
护 作 用

研 究 目 的
1 验 证 LEA 六 个 家 族 。
2 对 水 稻 基 因 组 数 据 库 中 的 粳 稻 和 籼 稻
LEA 蛋 白 进 行 结 构 预 测 和 功 能 分 析

研 究 方 法 与 结 果 分 析

研 究 方 法
• 通 过 已 克 隆 的 棉 花 中 的 6 个 LEA 蛋 白 氨 基 酸 序 列 在
NCBI 数 据 库 中 Blast 搜 索 6 种 已 经 克 隆 的 物 种 的 LEA
蛋 白 质 并 构 建 系 统 进 化 树
• 在 国 家 水 稻 数 据 中 心 分 别 检 索 籼 稻 和 粳 稻 的 基 因
信 息
• 在 NCBI 数 据 库 检 索 出 籼 稻 和 粳 稻 的 蛋 白 质 序 列 ,
利 用 pepinfo、 Tmap、 PEPSTAT、porter 等 软 件 对
该 蛋 白 序 列 的 组 成 成 分 进 行 分 析 , 并 进 行 二 级 结
构 预 测
• 结 果 分 析 , 探 讨 结 构 与 功 能 的 关 系

6 个 物 种 的 LEA 蛋 白 分 类
物 种 LEA D19 LEA D11 LEA D7 LEA D113 LEA D29 LEA D95 种 系
棉 花 LEA D19 LEA D11 LEA D7 LEA D113 LEA D29 LEA D95 双 子 叶 锦
葵 目
大 豆 PM LEA14 双 子 叶 豆
目
小 麦 EM DHR LEA3 单 子 叶 禾
本 目
水 稻 EMP1 DH DHR LEA1
LEA3
单 子 叶 禾
本 目
胡 萝 卜 EMB1 LEAD3 双 子 叶 伞
形 目
拟 南 芥
ERD
COR
XER
DHR
LEA D113
homologue
type1
LEA2R
LEA14
双 子 叶 十
字 花 木

• 结 果 分 析 :
• 1 由 进 化 树 可 知 所 要 研 究 的 水 稻 LEA3,
LEA1 属 于 第 三 组 ,DH 基 因 属 于 第 二 组 , 可
知 LEA 家 族 先 进 化 再 分 化 。
• 2 从 进 化 树 中 也 可 看 到 可 以 看 到 , 这 六 种
植 物 的 LEA 蛋 白 也 聚 成 了 六 类 ,6 类 蛋 白 根
据 其 进 化 的 顺 序 分 类 , 与 植 物 的 氨 基 酸 残
基 分 类 有 一 定 的 一 致 性 。 这 六 类 蛋 白 中 ,
第 1 类 和 第 4 类 被 聚 成 了 一 个 亚 类 , 第 3 类 和
第 5 类 被 聚 成 了 一 个 亚 类 , 第 2 类 和 第 6 类 被
聚 成 了 一 个 亚 类 。

水 稻 基 因 组 数 据 库 中 的 籼 稻 LEA 蛋 白
基 因

水 稻 基 因 组 数 据 库 中 的 粳 稻 LEA 蛋 白
基 因

水 稻 基 因 组 中 LEA 基 因 的 氨 基 酸
序 列 分 析
late embryogenesis abundant protein
[Oryza sativa Japonica Group]
GenBank: BAG88987.1
maqqaekaaelqdpeira
eldrrarddgktviksgtggk
sldaqerlaegrkkgglsrtt
esgkeradddtgavliepd
dkmlkeakknlgrk
late embryogenesis abundant protein
[Oryza sativa Indica Group]
GenBank: ABG80549.1
mashqdqasyragetkahteekag
qvmgaskdkaseakdraseaagh
aagkgqdtkeatkekaqaakeras
etaqaakdktsstsqaardkaaesk
dqtggflgekteqakqkaaetagaa
kqktaetaqytkdsaiagkdktgsvl
qqaseqvkstvvgakdavmstlgm
tedeagtddgankdtsataaatett
ardh

籼 稻 亚 种 的 氨 基 酸 组 分 分 析 结 果 (Pepinfo 分 析 结 果 1)

籼 稻 亚 种 LEA 蛋 白 Pepinfo 分 析 结 果 2

粳 稻 亚 种 LEA 蛋 白 氨 基 酸 组 分 分 析

粳 稻 亚 种 LEA 蛋 白 Pepinfo 分 析 结 果 2

两 个 亚 种 水 稻 LEA 蛋 白 氨 基 酸
序 列 分 析
Oryza sativa Japonica Group
• Rice_J.pepstats
• PEPSTATS of unnamed from 1 to 93
Oryza sativa Indica Group
• Rice_I.pepstats
• PEPSTATS of late from 1 to 200
• Molecular weight = 10136.29
Residues = 93
• Average Residue Weight = 108.992
Charge = 1.0
• Isoelectric Point = 9.1021
• A280 Molar Extinction Coefficient =
0
• A280 Extinction Coefficient 1mg/ml
= 0.00
• Improbability of expression in
inclusion bodies = 0.631
• Molecular weight = 20514.06
Residues = 200
• Average Residue Weight = 102.570
Charge = -1.0
• Isoelectric Point = 6.1524
• A280 Molar Extinction Coefficient =
2560
• A280 Extinction Coefficient 1mg/ml
= 0.12
• Probability of expression in inclusion
bodies = 0.620

籼 稻 亚 种 LEA 蛋 白 中 氨 基 酸 性 质
分 析
Property Residues Number Mole%
Tiny (A+C+G+S+T) 30 32.258
Small (A+B+C+D+G+N+P+S+T+V) 45 48.387
Aliphatic (A+I+L+V) 24 25.806
Aromatic (F+H+W+Y) 0 0.000
Non-polar (A+C+F+G+I+L+M+P+V+W+Y) 38 40.860
Polar (D+E+H+K+N+Q+R+S+T+Z) 55 59.140
Charged (B+D+E+H+K+R+Z) 41 44.086
Basic (H+K+R) 21 22.581
Acidic (B+D+E+Z) 20 21.505

粳 稻 亚 种 LEA 蛋 白 中 氨 基 酸 性 质
分 析
Property Residues Number Mole%
Tiny (A+C+G+S+T) 100 50.000
Small (A+B+C+D+G+N+P+S+T+V) 122 61.000
Aliphatic (A+I+L+V) 55 27.500
Aromatic (F+H+W+Y) 7 3.500
Non-polar (A+C+F+G+I+L+M+P+V+W+Y) 78 39.000
Polar (D+E+H+K+N+Q+R+S+T+Z) 122 61.000
Charged (B+D+E+H+K+R+Z) 67 33.500
Basic (H+K+R) 34 17.000
Acidic (B+D+E+Z) 33 16.500

蛋 白 质 跨 膜 螺 旋 分 析 结 果 (Tmap 分 析 )
Oryza sativa Japonica Group
Oryza sativa Indica Group

粳 稻 亚 种 氨 基 酸 序 列 二 级 结 构
预 测

籼 稻 LEA 蛋 白 质 序 列 二 级 结 构
预 测

结 果 分 析
1. 两 个 蛋 白 质 尽 管 序 列 长 度 , 氨 基 酸 组 成 不
尽 相 同 , 但 是 同 样 有 很 多 相 似 之 处 , 如 ,
极 性 氨 基 酸 占 到 了 序 列 组 成 中 的 大 多 数 ,
且 α 螺 旋 结 构 较 多 , 推 测 这 对 于 LEA 蛋 白 发
挥 抗 逆 功 能 有 很 大 帮 助
2. 与 籼 稻 LEA 蛋 白 相 比 , 粳 稻 LEA 蛋 白 氨 基 酸
数 目 , 极 性 氨 基 酸 数 量 , 比 例 ,α 螺 旋 区 更
为 丰 富 , 推 测 这 也 是 粳 稻 抗 逆 性 比 籼 稻 更
强 的 原 因 之 一 。

谢 谢 罗 老 师 !
谢 谢 各 位 同 学 !