变异链球菌UA159细胞壁蛋白的预测和功能分析

朱德全 郝莹莹 姚嘉 张跃华 韩诚武 卢伟 栾积毅 刘向东

摘要[目的] 对变异链球菌UA159细胞壁蛋白进行预测和功能分析，为后续研究该菌致病机制奠定基础。[方法] 用Phobius和SignalP 40软件预测变异链球菌UA159的细胞壁蛋白，并采用COG功能数据库对细胞壁蛋白进行功能注释。[结果] 变异链球菌UA159共含有 22个细胞壁蛋白，其中含有LPxTG锚定基序的有12个，含有LysM基序的有3个，含有CW基序的有5个，含有GW基序的有1个，含有PG锚定基序的有1个。功能分析结果显示，22个细胞壁蛋白中有18个蛋白没有具体的功能注释，4个蛋白有具体的功能注释，其中 beta-lactamase与防御机制功能有关；exo-beta-D-fructosidase与碳水化合物代谢与转运有关；分子伴侣蛋白ATP-dependent protease ClpE与蛋白质翻译后修饰和蛋白质折叠有关；cell wallassociated protein WapA与细胞壁和细胞膜的生物合成有关。[结论] 变异链球菌UA159全基因组大多数的细胞壁蛋白功能未知，需在以后研究中进行进一步的功能注释。

关键词变异链球菌；基因组；细胞壁蛋白；功能

中图分类号S188+.2文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）19-0121-02

Prediction and Functional Analysis of Cell Wall Proteins of Streptococcus mutans UA159

ZHU Dequan1，HAO Yingying2，YAO Jia3* et al

（1.College of Science，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007；2.College of Life Science，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007；3.College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007）

Abstract[Objective] The genome sequence of Streptococcus mutans UA159 was studied to predict the proteins anchored in the cell wall by bioinformatics method，which lay the foundation for further study of the pathogenic mechanism of the strain.[Method] The cell wall proteins of S.mutans UA159 were predicted by using Phobius and SignalP 4.0 softwares.The function analysis of cell wall proteins were predicted by using the functional database of Cluster of Orthologous Groups of proteins （COG）.[Result] There had 22 cell wall proteins in the genome of S.mutans UA159，in which 12 proteins had LPxTG anchor motif，3 proteins had LysM motif，5 proteins had CW motif，1 protein had GW motif，and 1 protein had PG anchor motif.Functional analysis results showed that 18 proteins of the 22 cell wall proteins had no functional annotations，4 proteins had functional annotations，betalactamase protein was related to defensive mechanism function； exobetaDfructosidase protein was related to carbohydrate metabolism and transport； ATPdependent protease ClpE protein was molecular chaperone protein ，which related to protein posttranslational modification and protein folding，cell wallassociatied protein WapA was related to cell wall/membrane biosynthesis.[Conclusion] Most of the cell wall proteins of S.mutans UA159 genome are unknown，and further functional annotations are needed in future study.

Key wordsStreptococcus mutans；Genome；Cell wall proteins；Function

变异链球菌是口腔内重要的致龋菌，其致龋原因主要包括对牙面的黏附、利用糖类产生多糖以及较强的产酸和耐酸能力[1]。龋病发病的前提条件是致龋菌的生长和产酸，致龋菌是口腔中的常驻微生物群，其中变异链球菌和乳杆菌与龋病的关系十分密切，可发酵多种糖类产酸，致菌斑pH下降和釉质脱矿溶解，造成龋损。2002年，TAKAO等[2]完成了Streptococcus mutans UA159全基因组测序工作，该基因组是一个环状染色体，有1 963个开放阅读框，其中63%的ORF已推测出其相应的功能。S.mutans UA159全基因組测序的完成标志着S.mutanss研究进入了基因组时代。

S.mutans UA159作为一种革兰氏阳性菌，菌体最外含有一层较厚的细胞壁，主要是由肽聚糖和磷壁酸组成。在细胞壁的外周有时锚定有蛋白质，这些蛋白质通过特殊的结构锚定在细胞壁上，如含有LPxTG结构的区段、LysM、PG等区域，由于细胞壁蛋白处于菌体的外层，在适应外界环境和与宿主细胞之间发生相互作用方面，具有重要的作用。

细胞壁蛋白由于具有特殊的序列结构，可以以细菌基因组序列通过生物信息学的方法预测分析这类蛋白。如孙理云[3]采用生物信息学方法对2型猪链球菌98HAH33细胞壁结合蛋白进行了分析，结果共预测出9种分选酶底物、2种具有LysM域的蛋白。但目前关于变异链球菌大规模地分析鉴定细胞壁蛋白，还鲜见报道。该研究用Phobius（http：//phobius.binf.ku.dk/）、SignalP 4.0、COG功能数据库分析S.mutans UA159的细胞壁蛋白和功能[4]。

1材料与方法

1.1材料

美国国立生物技术信息中心（NCBI）GenBank公布的变异链球菌UA159的基因组序列，GenBank 的登录号是NC_004350.2。

1.2方法利用Phobius（http：//phobius.binf.ku.dk/）鑒定出含有LPxTG基序的蛋白质，SignalP 4.0 软件（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP）对变异链球菌UA159基因组蛋白的信号肽进行分析。同时采用COG （http：//eggnog.embl.de/）功能数据库对分析得到的细胞壁蛋白进行功能注释和聚类分析。

2结果与分析

2.1变异链球菌UA159基因组细胞壁蛋白分析使用生物信息学方法对变异链球菌UA159基因组中的编码蛋白进行细胞壁蛋白分析，结果见表1。

变异链球菌UA159基因组1 960个编码蛋白中，22个蛋白含有细胞壁的锚定结构域，其中含有LPxTG锚定基序的蛋白有12个，含有LysM基序的蛋白有3个，含有CW基序的蛋白有5个，含有GW基序的蛋白有1个，含有PG锚定基序的蛋白有1个。同时在这些细胞壁蛋白中含有信号肽（signalp）的蛋白有12个，表明这些蛋白的部分可以分泌到细胞外。在所有细胞壁蛋白中含有跨膜结构域 （tmhmm）的蛋白也是12个，跨膜螺旋数在1～4个。

Note：hmm（） indicated the anchor motif containing the cell wall；signalp indicated proteins containing signal peptide sequence；tmhmm（） indicated it may contain transmembrane helical and number；[V].Defense mechanisms；[G].Carbohydrate transport and metabolism；[R].Function is predicted；[O].Protein modification after translation；[M].Cell wall/membrane biosynnthesis；[S].Function unknown

2.2变异链球菌UA159基因组细胞壁蛋白功能分析

22个细胞壁蛋白的功能分析结果表明，11个蛋白没有COG功能注释，有7个蛋白只是预测的功能，也没有具体的功能注释，这些蛋白的功能还需要在以后的研究中分析。4个蛋白有具体的功能注释，1个蛋白（betalactamase）与防御机制功能有关，1个蛋白（exobetaDfructosidase）与碳水化合物代谢与转运有关，1个蛋白（ATPdependent protease ClpE）是分子伴侣蛋白，与蛋白质翻译后修饰和蛋白质折叠有关，1个蛋白（cell wallassociated protein WapA）与细胞壁和细胞膜的生物合成有关。

3结论

细菌细胞壁蛋白是通过特殊的结构锚定在细胞壁上，由于细胞壁蛋白处于菌体的外层，在适应外界环境和与宿主细胞之间发生相互作用方面具有重要的作用[6]。但由于该类蛋白处于较厚的细胞壁之间，具有疏水性区域，分离和鉴定相对较困难，传统的电泳方法不能完全鉴定这类蛋白[5-6]。越来越多的双歧杆菌菌株基因组测序的完成，使得以基因组序列为对象采用生物信息学方法分析细胞壁蛋白成为可能[7]。该研究以变异链球菌的代表菌株UA159为对象，采用生物信息学方法对该菌的细胞壁蛋白进行预测和功能分析。分析发现1 960个编码蛋白中，22个蛋白含有细胞壁的锚定结构域。功能分析结果显示，22个细胞壁蛋白中有18个蛋白没有具体的功能注释，这些蛋白的功能还需要进一步研究。该方法分析获得的细胞壁蛋白，与传统的蛋白质组学方法互为补充，将为分析变异链球菌的毒力因子和致病机制提供数据基础和分子靶标。

参考文献

[1]

HAMADA S，SLADE H D.Biology，immunology，and cariogenicity of Streptococcus mutans[J].Microbiological reviews，1980，44（2）：331-384.

[2] TAKAO A，NAGAMUNE H，MAEDA N.Identification of the anginosus group within the genus Streptococcus using polymerase chain reaction[J].FEMS Microbiology Letters，2004，233（1）：83-89.

[3] 孙理云.用生物信息学方法预测2型猪链球菌98HAH33细胞壁结合蛋白[J].中国人兽共患病学报，2010，26（1）：72-75，80.

[4] GLEINSER M，GRIMM V，ZHURINA D，et al.Improved adhesive properties of recombinant bifidobacteria expressing the Bifidobacterium bifidum-specific lipoprotein BopA[J].Microb Cell Fact，2012，11：80.

[5] GILAD O，HJERN K，STERLUND E C，et al.Insights into physiological traits of Bifidobacterium animalis subsp.lactis BB12 through membrane proteome analysis[J].Journal of proteomics，2012，75（4）：1190-1200.

[6] GILAD O，SVENSSON B，VIBORG A H，et al.The extracellular proteome of Bifidobacterium animalis subsp.lactis BB12 reveals proteins with putative roles in probiotic effects[J].Proteomics，2011，11（12）：2503-2514.

[7] LEE J H，O′SULLIVAN D J.Genomic insights into bifidobacteria[J].Microbiology and molecular biology reviews，2010，74（3）：378-416.

安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2017，45（19）：123-125，230