基于結構的對于水稻和稻瘟病菌相互作用所包含蛋白的計算研究.pdf

1、本研究探討了在水稻和稻瘟病菌全蛋白組中使用基于蛋白結構的計算方法來篩選可能參與兩者相互作用過程的蛋白的可能性。研究總共使用了來自TIGRRice v5的66710條蛋白序列和來自Broad M grisea v6的11054條蛋白序列。我們使用了多種基于計算的方法來分析這些蛋白序列。本研究不僅僅提供了水稻和稻瘟病菌中那些可能與稻瘟病致病機制相關的基因產物以及與之相關通路的信息，也提供了一種篩選植物——病原菌相互識別過程中可能起作用的基因

2、產物的不依賴于已有知識的手段。
　　 本研究的目的是設計一套方法來篩選出那些可能參與這兩個物種之間細胞表面識別的基因產物，并且這種篩選的方法不建立在對該兩物種具有專業(yè)背景知識和對其入侵——抵抗過程有具體了解的基礎之上。較好的方法是使用GeneOntology(GO)來對編碼基因產物進行功能分類。對篩選出來的蛋白進行三維結構預測，并對其進行雙盲蛋白對接測試。有一些通用的信號通路如cAMP和MAPK信號通路被證明參與了附著胞的形成。

3、本研究對于篩選出來的可能參與該兩物種間宿主——寄主識別的基因產物進行了文獻方面的查閱，并發(fā)現與該領域內其它研究者的報道一致。這些研究中有些是對相關基因或片斷的直接測序，有些是借助于基因芯片的方法，還有一些則是使用了酵母雙雜交體系來研究這種相互作用。
　　 只有水稻蛋白組中的18個蛋白(共66710個)以及稻瘟病菌蛋白組中的24個蛋白(共11054個)最后通過了本研究所設計的嚴格流程——細胞內定位信息的篩選，蛋白三維建模，雙盲蛋白

4、對接測試，結果的人工驗證。包括30對這些蛋白之間的相互作用。這些蛋白被認為參與了一些重要的細胞信號轉導和代謝通路，并且這些信號轉導和代謝通路與細胞的表面識別和細胞外被的降解有關。具體結果按照流程分步敘述如下：
　　 對蛋白編碼基因產物的GO條目的分配
　　 水稻蛋白組中，總共有39587個基因產物至少被分配了一個GO條目，這些基因產物在雙序列聯配中的匹配長度超過100個氨基酸殘基，并且匹配的P值小于0.05。這些編碼基因

5、產物占水稻蛋白組的59.34％。作為對照，在模式植物擬南芥中，這一比例達到了98.53％(27445)。在稻瘟病菌蛋白組中，有5545個基因產物被分配了至少一個GO條目，約占全蛋白組的49.21％。在玉米黑粉菌(也是一種主要的植物病原菌)中，這一比例上升到59.16％，有3874個蛋白被分配了至少一個GO條目。在得到更廣泛關注的模式生物——釀酒酵母中，有5879個蛋白在GO數據庫中存在對應的同源蛋白，幾乎包含了該物種中已知的全部蛋白。<

6、br>　　 水稻和稻瘟病菌中蛋白的細胞組分分析
　　 對篩選出來的39587個水稻及5545個稻瘟病菌的蛋白進行了GO瘦條目定位的分析。大概有3.82％(1151個，無冗余)的水稻蛋白的細胞定位被認為與質膜和胞外基質有關(GO:0005576，GO:0005578，GO:0005615，GO:0005618，GO:0005886，GO:0030312，GO:0030313)。在稻瘟病菌中，這個比例接近8.60％(477個)。這

7、里我們使用了細胞組分而不是常用的分子功能來進行分析以篩選出符合要求的蛋白。這些蛋白可能在病原微生物和宿主之間發(fā)生的細胞表面接觸和識別中起作用，并由此在這兩個不同物種的細胞內啟動相應的信號轉導過程。本分析基于目標序列與GO數據庫中已知功能的蛋白序列之間存在相似性。蛋白建模和雙盲蛋白對接測試
　　 那些被認為可能存在于胞外基質或細胞膜或細胞骨架上的蛋白中只有相當少的部分最終通過了蛋白建模和雙盲蛋白對接測試。為了描述的方便，這些蛋白被

8、分成三組：位于胞外空間的酶，細胞膜上參與信號轉導的上游組分，細胞骨架及胞外基質骨架的結構性組分。
　　 在結果中發(fā)現了一些已經被報道的酶。如在稻瘟病菌蛋白組中找到了XYL-6的一些亞型(MGG06593，MGG_07955，MGG_08401，MGG-08424，MGG15430)。XYL-6是一種木聚糖酶(EC3.2.1.8)，它可以將木聚糖降解成木糖，從而破壞半纖維素。而半纖維素是植物細胞壁的主要成分之一。
　　 殼

9、多糖的生物合成和降解是影響真菌的細胞形狀和細胞形態(tài)發(fā)生的重要因素。殼多糖酶(EC3.2.1.14)是參與真菌細胞壁中殼多糖重塑過程的一種重要的酶，而這種重塑對于菌絲的生長有相當重要的作用。最后通過本步驟測試的稻瘟病菌蛋白中，存在兩個殼多糖酶，MGG03599和MGG10333。
　　 本步驟篩選出來的結果中有一些上游的細胞信號轉導組分和一些位于細胞膜上的轉運蛋白。Mg-NCS-1是鈣調蛋白(CaM)家族中的一員，稻瘟病菌蛋白組中

10、存在它的同源蛋白MGG01550，后者通過了嚴格的蛋白建模和蛋白對接測試。此外，MGG-01550也被認為參與了cAMP信號通路。
　　 網格蛋白接頭復合體(AP-1)的功能中最重要的是它參與了網格蛋白包被小泡的形成。這是最經典的將胞外分子從細胞表面運送到細胞內膜空間的胞吞作用途徑。這種內化作用有組成性的，也有受細胞信號調節(jié)的。稻瘟病菌蛋白組中一個注釋信息為“AP-1 complex subunit sigma-1”的蛋白，MG

11、G_11227，與Schizosaccharomyces pombe中已知功能的蛋白SPAP27G11.06c具有58％的氨基酸水平上的相似性，該匹配的e-value為3.67e-49。
　　 此外，在稻瘟病菌和水稻的蛋白組中均找到了一組微絲或微管蛋白細胞骨架組分及其相關蛋白(MGG_03164，MGG_06650，MGG_06884，MGG_11167，LOC_Os02914000，LOC_Os03963690，LOC_Os1

12、0g43040)。在絲狀真菌中，肌動蛋白細胞骨架對于菌絲中極性的建立和維持以及分裂時收縮環(huán)的形成都是必須的。
　　 通路查找
　　 只有水稻中的兩個蛋白達到了ptools中內建的搜索閾值。在RiceCyc2.0.1中，LOC_Os07910600編碼的蛋白具有假定的cycloartenol-C-24-methyltransferase活力。該酶被認為催化了固醇生物合成、環(huán)丙烷和環(huán)丙稀脂肪酸生物合成、環(huán)丙烷脂肪酸(CFA)

13、生物合成等三個代謝通路中的四個反應。另一個水稻位點LOC_Osllg37890編碼一個假定的GDP-甘露糖.3'，5'-異構酶(EC1.1.1.145)。該酶被認為參與了brassinosteroid biosynthesis II代謝通路。
　　 此外，在稻瘟病菌蛋白組中找到了兩個Gallus gallus中鈣調蛋白P62149的同源物(MGG_06884，MGG11167)。
　　 為了了解在植物——病原菌最初識別過

14、程中起關鍵作用的內在機制，我們使用了基于結構的方法來篩選可能在水稻和稻瘟病菌細胞表面識別過程中起作用的蛋白，然后對這些篩選出來的蛋白進行文獻搜索以確定它們所在的代謝和細胞信號轉導通路。這種基于結構的方法有一個顯著的優(yōu)點就是：目標蛋白的具體信息并不是必需的。
　　 在蛋白建模過程中，PROSPECT II的模板庫更新是一個主要的問題，這個問題也存在于其它許多非商業(yè)的結構預測軟件中。無論把系統生物學作為一個研究領域還是僅僅作為一個樣