玉米富脯氨酸伸展蛋白受体激酶的结构与功能分析开题报告

1.1本课题研究的背景

富含脯氨酸的类伸展蛋白受体激酶(proline-rich extensin-likereceptor kinases, PERKs)是伸展蛋白的一种。伸展蛋白是高等植物细胞壁中一类重要的结构蛋白，这种蛋白质可能与细胞的伸展作用有关。

体外实验表明PERKs突变体对ABA不敏感，暗示着PERKs可能像其他激酶一样作为受体感知信号，但具体的信号途径不明确。其活性影响着植物的形态及生长发育，在细胞壁形成、细胞伸长、逆境抗性等方面有着重要的作用。例如当PERKs超表达时可以抑制细胞伸长、降低茎秆节间长度和株高；也可以促进纤维素的合成、增加次生壁的厚度，提高机械强度，从而增强抗倒伏能力。由于纤维素含量及细胞壁厚度的增加，使得细胞壁相关的抗性增强，提高了植物病虫害抗性，最终达到产量的增加。

近年来国内外对玉米的需求量与日俱增，我国的玉米种植面积也在逐年增加，已经超过了水稻和小麦成为了我国第一大农作物。由于玉米自身形态特征的限制及环境的影响使得细长的玉米造成重心不稳容易产生倒伏，造成了自身容易损伤，易遭受病虫害的特点，导致产品品质低下、生产成本增加。为此对于玉米富脯氨酸伸展蛋白受体激酶的结构与功能的分析有着重要的意义，可以对揭示玉米抗病作用及信号传导机制，分析玉米对体内及体外的刺激反应机制等提供详尽准确的基础资料。

1.2目的与意义

通过对ZmPERK从核酸序列、氨基酸序列及编码蛋白的二级、超二级结构及编码蛋白具有的功能进行生物信息学的分析，对玉米ZmPERK编码的蛋白及其结构与功能进一步了解，为后期在玉米中介导的信号转导的分子机制的研究提供基础的资料与指导，为以后的玉米相关的抗倒伏及抗虫害研究提供基因基础。

2.1主要研究内容

（1）ZmPERK基因与蛋白序列的同源分析：根据已获得的相关基因序列，寻找可阅读框架并将其翻译成氨基酸序列，之后将目的基因编码的氨基酸序列与 GenBank 中的氨基酸序列进行比对和相似性搜索，在氨基酸水平下进行同源分析获得保守序列，利用相关的层次聚类分析获得树状层次聚类图。

（2） 编码蛋白的序列特征分析：①编码蛋白的理化性质分析，如氨基酸残基数、肽段的分子量、氨基酸的组成、极性氨基酸的含量、疏水性氨基酸的比例、等电点等特征；②通过在线的亲/疏水性分析获得部分肽链的亲/疏水性分布曲线；③以氨基酸序列为基础预测可能形成的二硫键。

（3）编码蛋白的二级结构分析：主要的研究内容包括编码蛋白的α-螺旋和β-折蛋白质叠的数目及编码蛋白的亚细胞定位。

（4）编码蛋白的超二级结构分析：主要的研究内容包括结构域与模体的预测及其亚细胞的定位。

2.2预期目标

（1）根据核苷酸序列翻译成氨基酸序列，在氨基酸的水平下对ZmPERK进行多重同源比对获得保守序列与进化树，由树状层次聚类图可以解释同源序列之间的亲缘关系的远近。

（2）通过相关的软件分析得到编码蛋白的基本的理化性质；根据所获得的肽链的亲/疏水性分布曲线判断基因产物是否为可溶性蛋白；根据二硫键的预测可以判断该氨基酸序列是否具有形成高级结构的可能。

（3）根据α-螺旋和β-折蛋白质叠的数目可预测出蛋白的结合位点。

（4）根据编码蛋白的结构域与模体的预测可以预测出其可能具有的生物学功能。

3.1 研究方法与步骤

3.1.1 ZmPERK基因与蛋白的同源分析的研究

方法：通过GeneBank查询到相关的基因，利用NCBI中的ORF Finddre寻找可阅读框架并将其翻译成氨基酸序列，之后将目的基因编码的氨基酸序列与 GenBank 中的氨基酸序列进行比对和相似性搜索，在氨基酸水平下进行同源分析，构建进化树。

步骤:①目标基因的查找：主要利用GeneBank;②目标基因翻译成氨基酸序列：主要利用NCBI中的ORF Finder（www.ncbi.nlm.gov/gorf/gorf.html；）寻找可阅读框架，并翻译成氨基酸；③同源序列的检索与获取：主要利用NCBI数据库中的BLAST软件将目的基因编码的氨基酸序列与GeneBank中的氨基酸序列进行比对和相似性搜索，BLAST程序( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast )；④同源性比对获得同源基因保守区：方法一：应用在线网站http://www.ncbi.nlm.nih.gov/conserveddomain进行同源性比对找出保守区域；方法二：应用 NCBI 在线 的 Blastp 程序（http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi；）在氨基酸水平上进行同源分析比对。

3.1.2蛋白质特征序列分析

方法：通过已翻译得到的氨基酸序列利用ProParam或DNAStar的Protein软件获得蛋白质的基本理化性质；通过ProtScale预测或通过在线的亲/疏水性分析获得部分肽链的亲/疏水性分布曲线，分析基因产物是否存在较大范围的亲水区，判断其产物是否属于可溶性蛋白；为了判断该序列能否具有高级结构需要对其可能形成的二硫键进行预测，二硫键的预测主要利用DISULFIND完成。

步骤：①蛋白质的理化性质分析，主要包括氨基酸残基数、肽段的分子质量、氨基酸组成、极性氨基酸含量、疏水性氨基酸比例、等电点等特征；ProtParam软件分析(http://expasy.ch/tools/protparam.html；)或用DNAStar的Protein分析该肽段分子量、极性氨基酸含量（包括酸性氨基酸和碱性氨基酸百分比等）、疏水性氨基酸比例、等电点等特征；②通过在线的亲/疏水性分析获得部分肽链的亲/疏水性分布曲线，以分析基因产物是否存在较大范围的亲水区，以此判断其产物是否属于可溶性蛋白。ProtScale预测或通过在线的亲/疏水性分析（http://cn.expasy.org/cgi-bin/protscale.pl）；https://web.expasy.org/cgi-bin/protscale/protscale.pl；③以氨基酸序列为基础预测可可能形成的二硫键；以此来判断是否具有形成高级结构的可能；DISULFIND

3.1.3蛋白质二级结构分析

方法：主要利用SOPMA、Garnier-Robson法或利用Expasy提供的PROF软件分析得到蛋白质二级结构的基本信息，包括α-螺旋和β-折蛋白质叠的数目等，用于推测蛋白所基友的功能及结合位点。

步骤：①蛋白质的二级结构分析主要包括α-螺旋和β-折蛋白质叠的数目等，是内部折叠、内部残基距离预测的基础，并可用于推测蛋白质功能，预测蛋白质结合位点等。SOPMA（https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/secpred-sopma.pl；）或利用Garnier-Robson法或利用Expasy 提供的PROF软件；②蛋白质的亚细胞定位；PSORT程序http://psort.hgc.jp/form2.html。

3.1.4蛋白质超二级结构分析

方法：蛋白质超二级结构分析的内容主要包括结构域与模体的预测及其亚细胞定位。结构域的预测主要利用NPS（Network Protein Analyis）提供的Proscan工具或用NCBI上的ConservedDomain Architecture Retrieval Tool或基于Scan Prosite工具和SMAT工具等方法进行预测，还可应用CDD数据库搜索获得相关蛋白的结构域。

步骤：①蛋白质结构域与模体的预测；利用NPS（Network Protein Analyis）提供的Proscan工具（http://npsa-pbil.ibcp.fr；）；功能结构域分析，运用NCBI上的Conserved Domain ArchitectureRetrieval Tool（http://www.nibi.nlm.gov/gorf/goff.html；）或www.predictprotein.org;或基于Scan Prosite （http://prosite.expasy.org/scanprosite；）工具和SMART工具分析蛋白结构域；应用CDD数据库（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi；）搜索蛋白的结构域；②蛋白质结构域与模体的亚细胞定位。www.cbs.dtu.dk/services/TargetP。

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选题毕业论文

（1）2022年11月10日至2022年12月20日：

与指导老师见面，讨论，确定论文选题；

（2）2022年12月23日至2022年2月23日（第1周前）：

接受毕业论文任务书；查阅文献资料；

（3）2022年2月24日至2022年3月09日（第1周~第2周）：

撰写开题报告，完成开题；完成外文文献翻译初稿；

（4）2022年3月10日至2022年4月3日（第3周~第6周）：

熟悉相关生物信息学分析方法与数据处理方法；并对不同的方法进行对比分析，及时调整分析方案；

（5）2022年4月6日至2022年5月10日（第7周~第11周）：

完成全部生物信息学分析，对研究结果进行总结和绘制图表；提交外文翻译；

（6）2022年5月11日至2022年6月5日（第12周~第15周）：

整理数据，根据基因特性深入分析，撰写论文初稿；

（7）2022年6月10日至2022年6月14日（第16周）：

提交数据和图表，毕业论文修改、定稿与毕业答辩。