硬粒小麥硒蛋白的生物信息學(xué)研究.pdf

1、硒是人及哺乳動物必需的一種微量元素。硒參與甲狀腺激素代謝、抗氧化系統(tǒng)和機(jī)體免疫功能的正常發(fā)揮。在原核生物、真核生物和古細(xì)菌中都發(fā)現(xiàn)有硒蛋白的存在，其中哺乳動物硒蛋白現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)近30種。但是，植物硒蛋白的研究相對滯后，迄今為止僅見于衣藻硒蛋白的報(bào)道。高等植物中硒蛋白是否存在的問題，迄今尚未有明確答案。因此應(yīng)用生物信息學(xué)的研究手段，對高等植物中可能存在的硒蛋白線索進(jìn)行找尋和分析，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都具有重要意義。 本文第一部分綜合

2、總結(jié)歸納了硒蛋白領(lǐng)域的研究方法和相關(guān)成果，對目前植物硒蛋白研究停滯不前的原因進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，精心設(shè)計(jì)研究路線和方法，選取硬粒小麥Durum Wheat為研究對象，綜合利用生物信息學(xué)手段，對硬粒小麥Durum Wheat中可能存在的硒蛋白進(jìn)行了探索性研究。 鑒于目前已發(fā)現(xiàn)的硒蛋白均具有SECIS特征結(jié)構(gòu)，首先對Genbank中的Durum Wheat表達(dá)核酸序列進(jìn)行逐一篩選，找到其具有SECIS的序列，共發(fā)現(xiàn)47個(gè)具有SE

3、CIS特征結(jié)構(gòu)的目標(biāo)序列。通過進(jìn)一步分析和篩選，確定以數(shù)據(jù)量完整的AY146587.1序列及其互補(bǔ)序列為進(jìn)一步的研究目標(biāo)。 應(yīng)用Vector NT等工具對目標(biāo)序列和衣藻硒蛋白進(jìn)行綜合比較分析，最終在目標(biāo)序列發(fā)現(xiàn)一段與衣藻硒蛋白具有較高的結(jié)構(gòu)相似性的表達(dá)區(qū)段，并在此基礎(chǔ)上研究分析該目標(biāo)序列編碼硒蛋白（或同源物）的可能性。針對上述表達(dá)區(qū)段沒有發(fā)現(xiàn)TGA堿基區(qū)的問題，再次對目標(biāo)序列進(jìn)行了更為全面的搜索和分析研究，又發(fā)現(xiàn)另一段同時(shí)具有與

4、衣藻硒蛋白相似結(jié)構(gòu)特征和TGA堿基區(qū)的序列段。這2段表達(dá)區(qū)位置臨近并且有交集，都位于GENSCAN預(yù)測得到的基因段內(nèi)。 將上述2段序列作為目標(biāo)對象，以其翻譯后氨基酸序列的結(jié)構(gòu)特征為突破口，利用現(xiàn)有蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫和分析工具進(jìn)行了大量的研究分析，發(fā)現(xiàn)了具有意義的生物信息線索，這些線索均顯示目標(biāo)序列可能具有和動物硒蛋白相似的功能。綜合分析上述研究結(jié)果，認(rèn)為在目標(biāo)序列中這一表達(dá)區(qū)段范圍內(nèi)，存在硒蛋白的可能性很大，并推測其功能作用與硬粒小麥

5、Durum Wheat胚胎發(fā)育時(shí)期能量調(diào)節(jié)相關(guān)。 同時(shí)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，完全依賴基于現(xiàn)有知識的生物信息學(xué)分析工具和方法對高等植物可能具有的硒蛋白進(jìn)行研究，局限性很大，這與動物硒蛋白研究領(lǐng)域的情況有很大不同。結(jié)合本課題研究的結(jié)果，綜合分析目前植物硒蛋白研究領(lǐng)域現(xiàn)狀，提出合理的解釋和推斷：高等植物中存在功能與動物硒蛋白相似的硒蛋白，但其具有與動物硒蛋白不同的編碼機(jī)理，甚至不能排除高等植物中存在未知氨基酸的可能性。正是由于這個(gè)原因，導(dǎo)

6、致了在硒蛋白研究成果領(lǐng)域中動物和植物的迥然不同。 本論文第一部分闡述的研究成果一方面在高等植物硒蛋白研究領(lǐng)域中取得有意義的發(fā)現(xiàn)和突破；另一方面也提出了大膽的設(shè)想和推測，為今后高等植物硒蛋白研究提供了新的思路和方法。 本文第二部分主要針對當(dāng)前生物試驗(yàn)中高通量篩選的實(shí)際需要，同時(shí)也考慮到今后植物硒蛋白生物驗(yàn)證試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的高通量篩選需求，利用圖論方法，建立了一個(gè)高效準(zhǔn)確的篩選策略模型，并編制程序?qū)崿F(xiàn)。通過分析，確定了最佳分

7、組大小與所需次數(shù)及提高效率的關(guān)系，并對該策略模型進(jìn)行生物學(xué)驗(yàn)證，從而建立了一種準(zhǔn)確快速的篩選方法。該篩選方法相對于單個(gè)檢測速度能提高10-100倍。該方法在具體操作中可根據(jù)實(shí)際情況靈活處理，通過調(diào)整分組大小，利用程序計(jì)算出需要檢測次數(shù)的上界，作為實(shí)驗(yàn)的有利參考。利用這種方法能在92次PCR次數(shù)之內(nèi)從1000個(gè)植株材料中快速準(zhǔn)確地篩選出10個(gè)陽性的轉(zhuǎn)基因植株。此方法為植物基因工程大量無標(biāo)記基因轉(zhuǎn)化后代的快速篩選提供了條件，并對涉及從M個(gè)樣