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摘 要

乙酰胆碱受体是一种神经递质受体，其分为烟碱型乙酰胆碱受体和毒蕈碱型乙酰胆碱受体。生物信息学是当代生物学的一个重要研究工具，本文侧重讨论蜜蜂属昆虫的乙酰胆碱受体毒蕈碱型，采用生物信息学的方法和相关工具对已在NCBI上注册的三种蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体的核酸及氨基酸序列进行相关分析，并对其氨基酸组成，蛋白质结构功能，等电点，蛋白质疏水性及核酸分子系统进化进行阐述。

关键词：蜜蜂；乙酰胆碱受体； 生物信息学；蛋白结构和功能

Abstract： Acetylcholine receptor is a neurotransmitter receptor which is divided into nicotinic acetylcholine receptor and muscarinic acetylcholine receptor. Bioinformatics is an important research tool for contemporary biology. This article focuses on the muscarinic type of acetylcholine receptors in honeybees, and uses bioinformatics methods and related tools to register three types of muscarinic bees on the NCBI. The nucleic acid and amino acid sequence of acetylcholine receptors were correlated and their amino acid composition, protein structure and function, isoelectric point, protein hydrophobicity, and nucleic acid molecular evolution were elucidated.

Keywords：bees, acetylcholine receptors, bioinformatics, protein structure and function.

目录

1 前言 4

1.1 蜜蜂的分类 4

1.2毒蕈碱型乙酰胆碱受体 5

1.3 乙酰胆碱的生物信息学分析 5

2 材料与方法 6

2.1重要数据库和生物学软件 6

2.2方法 6

3 结果与分析 6

3.1基因编码蛋白氨基酸组成、分子量、等电点分析 6

3.2疏水性和跨膜区分析 7

3.3蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体基因编码蛋白分子功能预测 9

3.4蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体基因编码蛋白分子进化分析 9

结论 11

参考文献 12

致谢 13

1 前言

21世纪是生命科学崛起的世纪，而生物信息学则是帮助这门学科向上攀岩的阶梯。乙酰胆碱受体有两类：烟碱型乙酰胆碱受体，毒蕈碱型乙酰胆碱受体。然而从上个世纪至今，学者们对烟碱型乙酰胆碱受体的研究程度远远高于对毒蕈碱型乙酰胆碱受而蜜蜂是被选定的模式生物之一，故本文主要以生物信息学软件及方法分析蜜蜂属昆虫的乙酰胆碱受体，并对其核酸的理化性质进行分析和得到相关结论。

1.1 蜜蜂的分类

蜜蜂总科是膜翅目昆虫中最进化的类群之一。雌蜂体具采粉结构，嗜访花和吸食花蜜，多数为独栖性，部分营典型的社会性生活，少部分为盗寄生性（cleptoparasitc）。

蜜蜂是一种很有经济价值的昆虫资源，与人类关系十分密切。蜜蜂传粉、酿蜜，为他人作嫁衣裳，是劳动的象征；蜜蜂是开花植物友爱的使者。蜜蜂为众多农林作物传播花粉后，产量一般提高20%左右，是现代可持续农业的组成部分。蜜蜂可为人类提供多种滋补保健和有医疗价值的蜂产品。我国是养蜂大国，蜂产品在国际贸易中占重要地位。在自然界陆地生态系统中，蜜蜂是一个主要成分并且为模式生物，是实验常用的生物。^[1]

当前认为蜜蜂属是蜜蜂族中仅存的1属，在分类学上蜜蜂属于节肢动物门、昆虫纲、膜翅目、细腰亚目、针尾部、蜜蜂总科、蜜蜂科、蜜蜂属^[2]。已查明并确认 ,蜜蜂属里有 9个种 ^[3]。本文着重利用生物信息学来分析和讨论大蜜蜂，意大利蜜蜂，中华蜜蜂的毒蕈碱型乙酰胆碱受体基因。

生物信息学是一个创新的领域，它利用了解生物数据的方法和软件工具，对核酸及蛋白质进行分析，作为一门创新的科学领域，生物信息学结合了计算机，生物，数学及相关统计学原理来处理生物的数据。生物信息学已被广泛用于统计和分析生物数据，为学者们的研究提供数据支持。在更为综合的层面上，它有助于分析和分类作为系统生物学重要组成部分的生物通路和网络。在结构生物学中，它有助于模拟和模拟DNA RNA，蛋白质以及生物分子相互作用。

1.2毒蕈碱型乙酰胆碱受体

受体作为一种细胞接受外界化学信号的原初部位，调控着细胞与环境之间的信息：有特殊的生物学意义，对细胞生命活动起着重要作用。乙酰胆碱是动物神经传导中一种重要的神经递质^[4]。一般而言动物细胞中存在两类乙酰胆碱受体，烟碱型受体(nAchR)和毒蕈碱型受体(mAchR)。毒蕈碱型受体能产生副交感神经兴奋效应，抑制心脏活动，调控支气管胃肠平滑肌和膀胱逼尿肌的收缩，缩小瞳孔等^[5]。分子生物学已经表明，烟碱和毒蕈碱受体属于不同的蛋白超家族。毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChR)是膜受体家族的成员^[6]，是一种跨膜糖蛋白。在哺乳动物中M受体分M1、M2、M3、M4、M5五种亚型，其通过与鸟苷酸结合蛋白偶联介导信号转导过程，又称G蛋白偶联受体(GPCR)^[7]；该受体的激活通过G蛋白偶联激活质膜上Ca2 通道或其他与第二信使产生有关的酶^[8]，进而引发特异的生理生化反应。毒蕈碱型乙酰胆碱受体的分子结构G蛋白偶联受体是由紧密相邻的七个跨膜螺旋所组成的三维结构^[9]。

mAchR作为昆虫重要的神经递质受体，属于G蛋白偶联受体的超家族^[10]，参与调节其各种神经生理活动，是杀虫剂的重要靶标。现研究表明，mAchR参与调控昆虫的发育行为，但其信号转导途径及作用机理尚不清楚。学者们对毒蕈碱型乙酰胆碱受体的研究远落后于对烟碱型乙酰胆碱受体的研究，故本文综述了大蜜蜂，意大利蜜蜂，中华蜜蜂的毒蕈碱型乙酰胆碱受体的生物信息学分析。

1.3 乙酰胆碱的生物信息学分析

生物信息学是生命科学和信息科学的交叉学科^[11]，是现代生物学常用工具之一，用生物信息学的方法对昆虫乙酰胆碱受体进行相关分析^[12]，运用相关生物信息学软件及网址对NCBI上面已发表的相关乙酰胆碱受体基因与其相应的氨基酸序列的组成成分，理化性质，结构特征等功能进行分析，并进行相关预测和得到相关结论。

2 材料与方法

2.1重要数据库和生物学软件

实验用到的数据库为美国国立生物技术信息中心(National Cznter for Biotechnology Information，NCBI)GenBank数据库、EST数据库,核酸和蛋白分析相关软件为核酸序列同源性分析软件蛋白质基本性质分析工具ExPASy数据库中的ProtParam Tool，疏水性分析软件ProtScal程序，蛋白跨膜结构预测软件，采用MEGA7.0软件邻接法（Neighbor-Joining method）构建系统发育树。

2.2方法

从NCBI数据库下载西方蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体序列，利用BLAST工具对其进行分析，得到相关大蜜蜂，意大利蜜蜂，中华蜜蜂的乙酰胆碱受体基因序列。利用Expasy软件计算蛋白质氨基酸数目，分子量，等电点等信息。对氨基酸序列进行比对，用在线网站ExPASY中的ProtParam分析蛋白分子量，等电点，氨基酸组成成分和酸碱性氨基酸的比例。用在线网站ExPASY中的ProtScale进行蛋白疏水性分析，用TMHMM软件分析蛋白跨膜区, 得到相关跨膜区，用MEGA7.0软件将核酸序列与其他不同来源物种的mAchR序列进行多重比对，构建系统进化树，分析并且预测亲缘关系。

3 结果与分析

3.1基因编码蛋白氨基酸组成、分子量、等电点分析

利用Protparam软件（http://web.expasy.org/protparam）计算蛋白质氨基酸数目、分子量、等电点等信息，如表1所示3种动物(大蜜蜂，意大利蜜蜂，中华蜜蜂)的分析结果,其中支链氨基酸在这几种动物中均含量丰富，并且氨基酸组成都大体上相似。从表2中可以看出，大蜜蜂，意大利蜜蜂，中华蜜蜂，的等电点，氨基酸残基数，酸碱性氨基酸含量都相同，差异极小。

表1 3个物种毒蕈碱型乙酰胆碱受体20种氨基酸组成和理化性质分析
氨基酸组成	大蜜蜂	意大利蜂	中华蜜蜂
Ala (A)	7.9%	7.9%	7.9%
Arg (R)	5.3%	5.3%	5.3%
Asn (N)	4.0%	4.2%	4.0%
Asp (D)	4.7%	4.7%	4.7%
Cys (C)	1.9%	1.9%	1.9%
Gln (Q)	1.8%	1.8%	1.8%
Glu (E)	4.4%	4.4%	4.4%
Gly (G)	4.4%	4.4%	4.4%
His (H)	2.3%	2.3%	2.3%
Ile (I)	9.1%	8.9%	9.1%
Leu (L)	8.4%	8.4%	8.4%
Lys (K)	6.3%	6.3%	6.3%
Met (M)	2.5%	2.5%	2.8%
Phe (F)	3.0%	3.0%	3.0%
Tyr (Y)	5.3%	5.3%	5.3%
Val (V)	4.6%	4.6%	4.4%
Ser (S)	8.8%	8.8%	8.8%
Thr (T)	7.5%	7.5%	7.4%
Trp (W)	3.2%	3.2%	3.2%
Pro (P)	4.7%	4.7%	4.7%

表2 3个物种毒蕈碱型乙酰胆碱受体特殊氨基酸组成和理化性质分析
动物	氨基酸残基数	分子量Da	pI	碱性氨基酸	酸性氨基酸
大蜜蜂	570	64903.87	9.07	66	52
意大利蜂	570	64904.81	9.07	66	52
中华蜜蜂	570	64966.02	9.07	66	52

3.2疏水性和跨膜区分析

利用位于ExPASy^[13]的ProtScal程序计算大蜜蜂，意大利蜜蜂，中华蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体的疏水性图谱^[14]（如图1）。图中显示出大蜜蜂整个蛋白质中疏水性最大值3.789是, 最小值是-3.611。用TMHMM软件分析蛋白跨膜区（如图2），得大蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体有个7跨膜区，其结果与疏水性分析结果一致, 这表明膜蛋白的跨膜区和疏水性区的明显相关性。并且分析中华蜜蜂和意大利蜜蜂发现极度相似，蛋白疏水性最大值，最小值都与大蜜蜂相同，都有七个跨膜区且跨膜位点都相同。

图1 ProtScale程序分析大蜜蜂mAchR的疏水性结果

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