1、毕业论文文献综述海洋生物资源与环境植物二酰甘油酰基转移酶基因（DGAT）研究进展摘要石油的大量使用会导致能源枯竭和温室气体排放的增加，为了实现经济和环境的和谐发展，必须开发替代能源。生物柴油作为一种理想的可再生能源，近年来得到迅速发展。三酰甘油TAG是油料作物最主要的储藏脂类,二酰甘油酰基转移酶DGAT,EC23120是TAG合成途径的限速酶,其主要作用是催化二酰甘油加上酰基脂肪酸形成三酰甘油在植物中已发现了3种不同类型的DGAT基因,分别为DGAT1、DGAT2和DGAT3该文对近年来国内外有关植物DGAT相关基因及其蛋白分类、定位、结构及其在脂肪酸合成等研究进展进行综述为提高产油植物油含量
2、以及特定脂肪酸积累提供理论参考。关键词生物柴油植物油脂TAGDGAT含油量近年来，随着全球经济的快速增长，石油和煤炭等化石能源的消耗大幅度上升，化石能源短缺危机已迫在眉睫，对生物质能等可再生能源的关注逐渐成为热点1。生物柴油，又称单烷基脂肪酸酯，是以动、植物油脂为原料，与醇类经转酯作用获得的单烷基脂肪酸酯，是一种安全清洁的可再生能源。微藻作为新一代生物柴油原料，光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短和生物产量及含油量高，已经成为制备生物柴油的研究热点2。DGAT二酰甘油酰基转移酶催化TAG（三酰甘油）合成途径的最后一步反应，也是该途径的限速酶3，对它的研究对于进一步提高微藻含油量，降低生物
3、柴油生产成本，有着十分重要的意义。11作用质体是植物发育种子中脂肪酸生物合成的主要场所。葡萄糖是脂肪酸碳C骨架的最初来源。如图1所示，叶片中合成的葡萄糖运输到发育的种子细胞中，经过一系列生化反应形成丙酮酸PYRUVATE。丙酮酸进入质体，在丙酮酸脱氢酶PDH催化下生成乙酰辅酶AACETYLCOA，为脂肪酸合成提供了起始的2C分子。丙酮酸的合成及其转入质体中的数量是脂肪酸合成和积累的一个限速步骤。脂肪酸生物合成的第一步反应是乙酰辅酶A在乙酰辅酶A羧化酶ACCASE的催化下加上一个羧基生成3C分子丙二酰辅酶AMALONYLCOA。这一步也是脂肪酸合成和积累的一个限速步骤。接着，在转酰基酶AT的作用
4、下，丙二酰基从辅酶A分子转移到酰基载体蛋白ACP上，形成丙二酰ACP（MALONYLACP）。然后，在脂肪酸合成酶FAS复合体的作用下，丙二酰ACP经过多次循环，每次循环使碳链增加两个碳原子，直到饱和脂肪酸链长度达到16个碳原子的软脂酸为止。这是正常的脂肪酸合成酶作用的终点。更长链的脂肪酸，或不饱和脂肪酸等都是把软脂酸作为前体，需要另外的酶反应形成5。图1中，在质体中合成的脂酰ACP，经硫酯酶TE催化生成脂肪酸，接着与位于质体外膜上的辅酶A结合，形成脂酰COA。接着脂酰COA（FATTYACYLCOA）从质体经细胞质转运到内质网，用于合成甘油脂。首先，在3磷酸甘油酰基转移酶GPAT和溶血性磷脂
5、酸酰基酶LPAT的先后作用下，脂肪酸碳链从各种脂酰COA分子上转移到甘油3磷酸GLYCEROL3PHOSPHATE的SN1和SN2位置上，从而生成磷脂酸PHOSPHATIDATE。然后，磷脂酸分子上SN3位的磷酸基被磷脂酸磷酸酶PAP切除后就形成二酰甘油酯图1植物三酰甘油的生物合成途径图DIACYLGLYCEROL。最后，在二酰甘油酰基转移酶DGAT作用下，二酰甘油的SN3位置上发生酰基化即结合一个脂肪酸碳链，形成三酰甘油TRIACYLGLYCEROL。最近，研究发现了另一条不依赖于乙酰辅酶A的三酰甘油合成途径，即在磷脂二酰甘油酯转移酶DGAT的催化作用下，脂酰基直接从磷脂酰胆碱PC转移至二酰
6、甘油，从而合成三酰甘油，而没有经中间产物辅酶24。12分类根据从NCBI蛋白数据库中得到的各个物种中DGAT蛋白的氨基酸序列（如表1），运用生物信息学软件DNAMAN60分析可以把它们分为3类如图2DGAT1、DGAT2和DGAT3基因家族25。表1已测序植物DGAT蛋白的名称及其登录号DGAT蛋白登录号DGAT蛋白登录号VMGAT2ABC94473AHDGAT3AAX62735BEDGAT1AAD45536RCDGAT2AAYL6324BJDGATLAAY40784BNDGAT2EE553426ATDGATLCA845373ATDGAT2NP566952LJDGATLAAW51456OSDG
7、ATLAAW47581GMDGATLBBAE9346L2ZMDGATLABV91586JCDGATLABL384383NTDGATLAAFL9345EADGATLAAV31083VGDGATIAABV21945RCDGATLAARL1479PFDGATLAAG23696VFDGATLABC94471OEDGATLAASOL606DGAT1基因家族只存在于动物和植物中7,16,17,27,28。高等植物DGAT1蛋白的氨基酸残基数一般在480550之间，不同物种的DGAT氨基端前100个氨基酸残基相似性较低低于20，而位于100以后的氨基酸残基相似性较高大于70，可能正是这种N端差异导致了不同植
8、物DGAT1酶属性的不同22。一般情况下，植物DGATL具有9LO个跨膜结构域，在N端有一个由100多个氨基酸组成的亲水域，该亲水域位于内质网膜的胞质面。DGAT2基因家族的成员在动物、植物和酵母中都存在15,16,22,25，并且与DGAT1基因家族没有明显的相关性。目前对植物DGAT2的研究较少，仅在拟南芥、油菜、蓖麻等少数植物中克隆出来。蛋白序列分析发现，C端明显比N端保守，同样也具有相似的亲水结构域和疏水结构域。几种已知的DGAT2蛋白具有23个跨膜结构域。DGAT3基因是SAHA等从发育中的花生子叶细胞质中克隆的一个与TAG合成相关的基因，该基因属于DGAT基因家族，但是与DGATL
9、和DGAT2基因家族的相似性不足10，其蛋白序列与上面两种DGAT家族同源性很低，但是具有类似DGAT蛋白功能基序5,22。该蛋白含有345个氨基酸，推测其分子量为41KD，不存在跨膜结构和信号肽序列，因此推测该蛋白定位于细胞质中，是一种可溶性蛋白。图2不同植物中DGAT蛋白序列的进化树分析2DGAT基因21已测序DGAT基因、定位及结构特点从NCBI数据库中得到已测序的植物DGAT基因及登录号（如表2）。拟南芥DGATL基因定位于染色体上，该基因DNA总长度为3020BP，含有16个外显子和15个内含子，CDNA全长1998BP。拟南芥DGAT2基因位于染色体上，DNA总长度为2164BP，
10、含有8个外显子和7个内含子，CDNA全长1330BP。花生DGAT3基因组序列还未得到，其CDNA全长1637BP。各类植物的DGAT基因结构略有不同其中油桐和水稻DGATL含有16个外显子和15个内含子，外显子长度和拟南芥基本一致。百脉根以及大豆DGATL含有15个外显子和14个内含子，它们最后一个外显子长度与拟南芥和水稻的最后两个外显子长度之和基本相等。表2已测序的植物DGAT基因及登录号中文名拉丁名基因登录号大豆GLYCINEMAXDGATAY6527651蓖麻RICINUSCOMMUNISDGATAY3664961拟南芥ARABIDOPSISTHALIANADGAT1NM1275032
11、花生ARACHISHYPOGAEADGATEU1833331花生ARACHISHYPOGAEADGAT3AY8756441玉米ZEAMAYSDGAT12EU0398301麻风树JATROPHACURCASDGAT1EU4773781紫苏PERILLAFRUTESCENSDGAT1AF298815122已测序的植物DGAT基因进化树分析从NCBI数据库中得到已测序的植物DGAT，运用CLASTALX软件进行多序列比对（图3）和迭代比对（图4）7种植物DGAT基因，得到进化树分析。图3多序列比对进化树分析GI物种的拼音图4迭代比对进化树分析GI物种的拼音23DGAT的基因操作231DGAT序列克隆
12、DGAT序列克隆是进几十年才开始的。从CASES等在小鼠中克隆了第一个DGATL基因后，HOBBS等拟南芥中克隆了DGAT基因，该基因在拟南芥中仅有一个拷贝。随后，在油菜、蓖麻、烟草、大豆、百脉根等其他植物也得到了DGATL的同源基因。目前对植物DGAT2的研究较少，仅在拟南芥、油菜、蓖麻等少数植物中克隆出来。DGAT3基因目前只在花生中发现。232DGAT的转基因工作表3DGAT的转基因工作年份试验者工作结果产脂量提高1999年HOBBSDHLUC，HILLSMJATDGAT1基因过量表达DGAT1转录水平和活性明显提高油脂积累增加10702006年李群,王学英DGAT1基因插入TAG1基因
13、突变体AS11含油量和油类组成恢复野生型水平亚油酸含量高出602008年KWILLIAMS对TMDGATL的6SNRKI目标位点的油脂积累增ETC个假定功能位点的定向诱变丝氨酸残基突变，酶活性提高38680加2009年李栒官春云拟南芥DGAT正义表达载体转化到油菜中拟南芥在油菜中均能表达，在油菜种子中表达水平高，在叶中以低水平表达油脂含量增加07693结论（1）根据从NCBI蛋白数据库中得到的各个物种中DGAT蛋白的氨基酸序列运用生物信息学软件DNAMAN60分析可以把它们分为3类DGAT1、DGAT2和DGAT3基因家族。（2）从NCBI数据库中得到已测序的植物DGAT，运用CLASTALX
14、软件进行多序列比对和迭代比对得到完全相同进化树见图3和图4。4展望植物油作为一种可再生的生物柴油产品，具有非常广泛的应用1TAG是植物油的主要成分，植物油是食用脂类的主要来源，约占全世界脂类消耗的75，而且植物油所含的很多单不饱和脂肪酸例如油酸，比饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸具有更高的营养价值；2植物油是巨大的天然原料，很多脂肪酸例如芥酸，月桂酸，斑鸠菊酸都广泛用于工业生产。据统计，世界上每年有1/3的植物油用于制药和化工生产。近年来，对植物油脂的广泛需求极大地促进了DGAT相关基因的研究，并在阐明植物油脂生物合成与代谢途径，以及利用基因工程方法改良优质品质方面获得了较大的发展。随着各种油料作物
15、的DGAT基因研究的逐渐深入，以及更多与植物含油量相关的DGAT基因多态性位点的发现，对于提高植物油产量以及品质具有重要意义。2008年，ZHENG等通过对高油玉米DGATL的研究发现，在DGATL2蛋白的F469位点处的一个苯丙氨酸的插入是提高油含量和油酸含量的重要决定因素，阐明了油含量以及组成差异的分子基础。通过诱变得到DGATL2蛋白苯丙氨酸突变型是未来大幅提高产脂量的值得研究的方法。参考文献1嵇磊，张利雄，姚志龙等利用藻类生物质制备生物燃料研究进展J石油学报石油加工，2007，236152王金娜，严小军，周成旭，徐继林产油微藻的筛选及中性脂动态积累过程的检测J生物物理学报，2010，2
16、653刘波，孙艳,刘永红，赵宗保产油微生物油脂生物合成与代谢调控研究进展微生物学，20051514刘源，姜运良猪DGAT1基因部分序列的克隆及分析山东2005年学术年会，2462485李栒油菜种子含油量相关基因PEPC和DGAT的克隆及遗传转化研究湖南农业大学博士论文6马海明，施启顺，柳小春DGAT相关基因的研究进展遗传学报，2005，32（12）132713327XIAOHUAHE,CHARLOTTATURNER,GRACEQCHEN,JIANNTSYHLIN,ANDTHOMASAMCKEONCLONINGANDCHARACTERIZATIONOFACDNAENCODINGDIACYLGLY
17、CEROLACYLTRANSFERASEFROMCASTORBEANJLIPIDS,2004,3943113188EVIRGINIAARBRUST,JOHNABERGES,CHRISBOWLER,THEGENOMEOFTHEDIATOMTHALASSIOSIRAPSEUDONANAECOLOGY,EVOLUTIONANDMETABOLISMSCIENCE,2004,306109BOUVIERP,BENVENISTEP,OELKERSP,STURLEYSL,SCHAIIERHEXPRESSIONINYEASTANDTOBACCOOFPLANTCDNASENCODINGSACYLCOADIACYL
18、GLYCEROLACYITRANSFERASEJEUR,J,BIOCHEM2000,2671859610LUNGSC,WESELAKERJDIACYLGLYCEROLACYLTRANSFERASEAKEYMEDIATOROFPLANTTRIACYLGLYCEROLSYNTHESISJLIPIDS,2006,41121073108811ASSAFBARDI,KIMBERLEETHAMATRAKOLN,KAYDPAULGFALOWSKI,ETCDIATOMGENOMESCOMEOFAGE,GENOMEBIOLOGY,JANUARY,200912BOUVIERP,BENVENISTEP,OELKER
19、SPETA1EXPRESSIONINYEASTANDTOBACCOOFPLANTCDNASENCODINGSACYLCOADIACYLGLYCEROLACYITRANSFERASEJEURJBIOCHEM,2000,2671859613CASESS,SMITHSJ,ZHENGYWIDENTIFICATIONOFAGENEENCODINGANACYLCOADIACYLGLYCEROLACY1TRANSFERASE,AKEYENZYMEINTRIACYLGLYCEROLSYNTHESISJSCI,1998,9522130181302314HOBBSDH,LUC,HILLSMJCLONINGOFAC
20、DNAENCODINGDIACYLGLYCEROLACYLTRANSFERASEFROMARABIDOPSISTHALIANAANDITSFUNCTIONALEXPRESSIONJFEBSLETT,1999,452314514915EVIRGINIAARBRUST,JOHNABERGES,CHRISBOWLER,THEGENOMEOFTHEDIATOMTHALASSIOSIRAPSEUDONANAECOLOGY,EVOLUTION,ANDMETABOLISM,SCIENCE,VOL306,1OCTOBER,200416JAKOC，KUMARA,WEIYD,ZOUJSEEDSPECIFICOVE
21、REXPRESSIONOFANARABIDOPSISCDNAENCODINGADIACYLGLYCEROLACYTRANSFERASEENHANCESSEEDOILCONTENTANDSEEDWEIGHTJPLANTPHYSIOLOGY,2001,126286187417KATAVICV,REEDDW,TAYLORDCALTERATIONOFSEEDFATTYACIDCOMPOSITIONBYANETHYLMETHANESULFONATEINDUCEDMUTATIONINARABIDOMISTHALIANAAFFECTINGDIACYLGLYCEROLACYLTRANSFERASEACTIVI
22、TYJPLANTPHYSIOLOGY,1995,108139940918LEHNERR,KUKSISABIOSYNTHESISOFTRIACYLGLYCEROLSJPROGRESSINLIPIDRESEARCH,1996,35216920119LUNGSC,WESELAKERJDIACYLGLYCEROLACYLTRANSFERASEAKEYMEDIATOROFPLANTTRIACYLGLYCEROLSYNTHESISJLIPIDS,2006,41121073108820SAHAS,ENUGUTTIB,RAJAKUMARISCYTOSOLICTRIACYLGLYCEROLBIOSYNTHETI
23、CPATHWAYINOILSEEDS,MOLECULARCLONINGANDEXPRESSIONOFPEANUTCYTOSOLICDIACYLGLYCEROLACY1TRANSERASEJPLANTPHYSIOLOGY,2006,14141533154321STAHLU,CARLSSONAS,LENMNAMCLONINGANDFUNCTIONALCHARACTERIZATIONSOFAPHOSPHOLIPIDDIACYLGLYCEROLACYLTRNASFERASEFROMARABIDOPSISJPLANTPHYSIOLOGY,2004,135L324L33522SANDAGERL,GUSTS
24、VSSONMH,STEHIUSTORAGELIPIDSYNTHESISISNONESSENTIALINYEASTJJBIO1CHEM,2002,27786478648223ROUTABOUIJM,BENNINGC,BECHTOLDNTHETAG1LOCUSOFARABIDOPSISENCODESFORADIACYLGLYCEROLACYLTRANSFERASEJPLANTPHYSIOLBIOCHEM,1999,371183184024ZOUJ,WEIYD,JAKOCTHEARABIDOPSISTHALIANATAG1MUTANTHASAMUTATIONINADIACYLGLYCEROLACYITRANSFERASEGENEJPLANTJOURNAL,1999,19664565325XIAOHUAHE,CHARLOTTATURNER,GRACEQCHEN,JIANNTSYHLIN,ANDTHOMASAMCKEONCLONINGANDCHARACTERIZATIONOFACDNAENCODINGDIACYLGLYCEROLACYLTRANSFERASEFROMCASTORBEANJLIPIDS,2004,439311318
