不同細(xì)菌有不同的最適生長溫度，而基因序列與其最適生長溫度密切相關(guān)。為探究其相關(guān)性，選取92個具有不同最適生長溫度的細(xì)菌的全基因組序列為研究材料，通過尋找92個細(xì)菌共有的同源蛋白，并計算共有同源蛋白中氨基酸的頻率，發(fā)現(xiàn)共有同源蛋白的氨基酸頻率特征與其最適生長溫度存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，其中蛋白質(zhì)序列中的螺旋結(jié)構(gòu)與其最適生長溫度關(guān)系最大。該研究為揭示細(xì)菌對溫度的適應(yīng)機(jī)制，以及對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性相關(guān)的分子設(shè)計具有重要的意義。
細(xì)菌生長在不同的自然環(huán)境里，在某個特定的溫度下，它的生長速度最快，這個溫度被稱為其最適生長溫度。根據(jù)最適生長溫度的不同，細(xì)菌可以被分為嗜熱菌、中溫菌及嗜冷菌，其中嗜熱菌的最適生長溫度一般在40℃以上，嗜冷菌的最適生長溫度在20℃以下，而大多數(shù)中溫菌最適生長溫度在30℃左右。細(xì)菌適應(yīng)不同最適生長溫度的機(jī)制一直是人們針對細(xì)菌研究的熱點(diǎn)。2003年，Makarova等通過系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析方法尋找到一些可能對嗜熱起關(guān)鍵作用的基因，并找到了一些與嗜熱表型特征相關(guān)的同源基因簇。
2007年，Li等發(fā)現(xiàn)了部分原核生物基因序列與其最適生長溫度的關(guān)系。2011年，Kim等發(fā)現(xiàn)了某一藻類中的耐熱基因，該基因的表達(dá)使其在高溫下有更好的生存能力。2012年，Jensen等基于全基因組序列，利用貝葉斯的統(tǒng)計方法對細(xì)菌的最適生長溫度范圍進(jìn)行了預(yù)測，得到了準(zhǔn)確的結(jié)果。2014年，Hu發(fā)現(xiàn)了對細(xì)菌在低溫下正常生長起關(guān)鍵作用的酶。
通過大量研究表明，細(xì)菌在最適生長溫度方面的差異，與其基因序列的差異密切相關(guān)，然而對于影響其最適生長溫度的序列特征，目前仍缺乏有效的研究和分析，需要從基因組學(xué)的層面對其進(jìn)行系統(tǒng)挖掘。
研究通過氨基酸頻率特征來探究共有同源蛋白中一些對溫度有影響的關(guān)鍵位置，并對其進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌中的一些特殊基因序列對其最適生長溫度有較大影響，這對蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性相關(guān)實(shí)驗(yàn)有比較重要的指導(dǎo)意義。然而，實(shí)際上仍有很多因素對蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性有較大影響，國內(nèi)外學(xué)者都對其進(jìn)行了大量的研究。其中Zeldovich等的研究發(fā)現(xiàn)、Ile、Val、Tyr、Trp、Arg、Glu及Leu（IVYWREL）在蛋白序列中的比例與蛋白質(zhì)的最適生長溫度有較高的相關(guān)性，說明氨基酸的組成比例與蛋白質(zhì)的最適生長溫度具有相關(guān)性。除了基因序列的影響之外，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)作用力的影響也是一個重要的因素，通過分析蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，可以更直觀地分析在高溫情況下蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性情況。Mitra等的研究就是通過這樣的方法對蛋白質(zhì)進(jìn)行設(shè)計，提高了纖維素酶的熱穩(wěn)定性，Akcapinar等則是對突變后的耐高溫蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，從蛋白質(zhì)活性中心空間作用力改變的角度解釋了突變對其熱穩(wěn)定性的提高的機(jī)制。在國內(nèi)，對細(xì)菌最適生長溫度以及蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性的研究也正不斷開展，在基因組的熱穩(wěn)定性機(jī)制，蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的機(jī)理，理性設(shè)計蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性等方面都取得了不錯的研究成果。所以，在后續(xù)工作中將對這些因素進(jìn)行更深入的研究，同時也將選取一個更大的數(shù)據(jù)庫來獲取影響最適生長溫度的特征，通過生物信息學(xué)的方式來對蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的預(yù)測分析。利用生物信息學(xué)的方法，可以更高效地獲得并處理大量的基因組數(shù)據(jù)，這將對理解蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性以及蛋白質(zhì)的分子設(shè)計具有重要的意義。
結(jié)論
本研究通過利用生物信息學(xué)的方法，從基因組的層面上對細(xì)菌的最適生長溫度進(jìn)行了分析，利用氨基酸頻率作為特征，發(fā)現(xiàn)了同源蛋白的氨基酸頻率與細(xì)菌最適生長溫度有較高的相關(guān)性；通過構(gòu)建進(jìn)化樹分析發(fā)現(xiàn)，共有同源蛋白可以更好地對不同最適生長溫度的細(xì)菌進(jìn)行分類。通過分析氨基酸指數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同最適生長溫度的細(xì)菌中，同源蛋白對氨基酸的選擇有偏好性。通過分析蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，對細(xì)菌最適生長溫度影響較大的位置的氨基酸普遍位于α螺旋以及l(fā)oop區(qū)，并且偏好選擇于α螺旋部位。
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