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綿羊PTGER3基因生物信息學(xué)分析論文
前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）是一種二十碳不飽和脂肪酸。目前，畜牧生產(chǎn)上將該激素主要用作待產(chǎn)母畜的催產(chǎn)素，在同期發(fā)情技術(shù)上也有應用。實(shí)際上，前列腺素E2在體內分布廣泛，不僅僅是參與機體平滑肌的收縮，還參與炎癥反應的炎性遞質(zhì)，干細胞增殖分化，而且在骨組織形成與改建過(guò)程中也有非常重要的調節作用[1]。前列腺素E受體3基因（Prostaglandin E receptor 3，PTGER3）編碼前列腺素E2受體EP3蛋白[2]。EP3蛋白是前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）的受體中的一種亞型，屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族（G-protein coupled receptors，GPCRs）[3]。G蛋白偶聯(lián)受體家族的成員龐大，主要通過(guò)結合和調節細胞G蛋白活性完成細胞內信號傳遞，是細胞重要的代謝門(mén)控。此外，部分GPCRs參與細胞增殖轉化炎癥變態(tài)等機體反應，具有重要的生物學(xué)意義[3-5]。根據G蛋白偶聯(lián)信號傳導理論，前列腺素E2需要與前列腺素E2受體EP3蛋白結合，EP3蛋白與多種G蛋白偶聯(lián)，才能將細胞外信號轉為細胞內信號。
本試驗利用生物信息學(xué)相關(guān)網(wǎng)頁(yè)和軟件對綿羊的PTGER3基因進(jìn)行理論分析，預測綿羊PTGER3基因及其編碼蛋白的結構和功能，對實(shí)際生產(chǎn)科學(xué)應用前列腺素E2提供指導，為下一步羊的PTGER3基因重組實(shí)驗提供幫助，為未來(lái)PTGER3基因檢測技術(shù)對綿羊進(jìn)行選育提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗序列材料來(lái)源于美國國家生物信息中心（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/），下文簡(jiǎn)稱(chēng)為NCBI。本研究選用綿羊（XM_012173631.2）、山羊（XM_018045482.1）、牛（NM_181032.1）、人（XM_011541810.2）、家鼠（XM_011240037.1）、狗（NM_001002958.1）、豬（XM_013988866.1）和雞（NM_001040468.1）8個(gè)物種的mRNA序列。括號內為NCBI中的GenBank數據庫的登錄號。
1.2 試驗方法
綿羊PTGER3基因開(kāi)放閱讀框（Open reading frame，ORF）利用NCBI網(wǎng)頁(yè)中的ORF Finder程序對其mRNA序列進(jìn)行識別預測分析；PTGER3基因編碼產(chǎn)物的理化性質(zhì)采用ExPASy在線(xiàn)預測；對編碼產(chǎn)物的位置分布采用PSORTⅡ亞細胞定位分析預測；編碼產(chǎn)物結構功能分析采用是ProtFun網(wǎng)頁(yè)預測；跨膜區域預測分析采用信號肽網(wǎng)頁(yè)在線(xiàn)分析；二級結構采用Jpred網(wǎng)頁(yè)預測；利用DNAMAN軟件對試驗序列的同源性進(jìn)行分析比較。
2 結果與分析
2.1 綿羊PTGER3基因的ORF分析
開(kāi)放閱讀框（Open reading frame，ORF）是一段可編碼蛋白質(zhì)的，中間無(wú)終止序列打斷從啟動(dòng)子到終止子的堿基序列。通過(guò)識別ORF可以快速識別出基因序列中的編碼區域。圖1為綿羊PTGER3基因的開(kāi)放閱讀框的結果，可知此序列中共識別有12個(gè)開(kāi)放閱讀框，其中最大的開(kāi)放閱讀框長(cháng)度為1 239 bp，分析是由412個(gè)氨基酸構成了該編碼產(chǎn)物的。
2.2 綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物序列同源性分析
由圖2可以看出，研究對照的8個(gè)物種中均表達有PTGER3基因。尤其綿羊、牛的序列同源性高，因此推測這2個(gè)物種的親緣關(guān)系較近。根據圖3的PTGER3基因編碼產(chǎn)物的系統發(fā)育樹(shù)可以看出，綿羊、牛同源性遠高于其他物種，其親緣相似性到達了99%；此外，綿羊與山羊的系統發(fā)育的距離很近，其親緣相似性達到了92%。
2.3 綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物的理化性質(zhì)分析
氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位，圖4是預測綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物的氨基酸組成的分析圖，結果表明，其編碼產(chǎn)物的理論分子量約為45 568.48 Da，其等電點(diǎn)為9.49，編碼的421個(gè)氨基酸中，含有色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸，可知該編碼產(chǎn)物可以利用280 nm的光吸收值進(jìn)而預測分析溶液中的蛋白含量。此外，從氨基酸組成上發(fā)現，脂質(zhì)類(lèi)氨基酸占全部氨基酸的51.8%，其中脂肪族類(lèi)∶芳香族類(lèi)為190∶67。該蛋白還富有羥基和含硫氨基酸，所占比例分別為16.8%和7.3%。
2.4 綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物亞細胞定位分析
綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物的亞細胞定位結果如表1所示，PTGER3基因編碼產(chǎn)物主要表達在內質(zhì)網(wǎng)中，其可能性為66.7%，同時(shí)在高爾基體、線(xiàn)粒體、細胞質(zhì)基質(zhì)的分布概率均占11.1%。由此可以推斷該基因產(chǎn)物作用比較專(zhuān)一，在細胞中的內質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、細胞質(zhì)基質(zhì)、線(xiàn)粒體中發(fā)揮生物學(xué)作用，可能參與調控細胞中輔助因子合成、中間代謝產(chǎn)物的合成以及能量代謝的生命活動(dòng)。
2.5 綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物結構功能預測與分析
結構域是二級蛋白序列片段經(jīng)過(guò)盤(pán)曲折疊形成的超二級結構，不同的結構域具有不同的特定的功能作用。通過(guò)分析PTGER3編碼產(chǎn)物的結構域的特點(diǎn)可有效預測基因PTGER3編碼產(chǎn)物的功能。從表2可得知，PTGER3主要具有調控功能、輔助因子生物合成、能量代謝和代謝中間產(chǎn)物的功能，可能性分別為0.530、0.133、0.087和0.046，由此推斷PTGER3作為運載體在信號傳導、能量調控和分泌蛋白轉錄和翻譯中發(fā)揮重要調節作用。
2.6 綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物信號肽預測與分析
信號肽序列是存在于分泌蛋白基因編碼序列中，在起始密碼子之后的一段富含疏水氨基酸多肽的序列。通過(guò)檢測綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物信號肽的存在情況，可以得知編碼產(chǎn)物是否是分泌蛋白和跨膜蛋白以及跨膜蛋白的基本信息。由圖5可知，綿羊PTGER3蛋白氨基酸C值為1，Y值為1，S值為1。表明PTGER3基因的編碼產(chǎn)物不存在信號肽，是非分泌性蛋白；未發(fā)現跨膜區，該蛋白是非跨膜蛋白。
2.7 綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物二級結構的預測與分析
Jpred是一款利用已知氨基酸序列推測其蛋白二級結構的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)系統。通過(guò)預測綿羊PTGER3基因產(chǎn)物的二級結構，分析后結果如圖6所示。綿羊PTGER3基因編碼產(chǎn)物從N端的第50個(gè)氨基酸才開(kāi)始出現二級結構，即第50位的絲氨酸處形成第一個(gè)α螺旋結構。PTGER3蛋白二級結構按照αααααββαααααααα順序排列，其中共由13個(gè)α螺旋、2個(gè)β折疊。
3 討論
本試驗選取登記在NBCI數據庫中豬、馬、牛、山羊和綿羊等物種的PTGER3基因序列，利用生物信息學(xué)方法對綿羊PTGER3基因分析其編碼蛋白結構和功能。生物信息學(xué)是利用數學(xué)方法處理和分析生物數據，基于人們現有對分子生物學(xué)的認識和構建生物模型，進(jìn)而分析其生物學(xué)特性的方法。如根據不同核糖核苷酸序列估計其氨基酸組成、蛋白的結構和功能等。利用基因數據庫和生物信息學(xué)方法系統分析相關(guān)基因及其編碼產(chǎn)物，是當前功能基因組學(xué)的重要研究手段。其明顯優(yōu)于過(guò)去的單一基因研究模式，可以在基因組、分子的水平對基因的表達調控網(wǎng)絡(luò )機制進(jìn)行系統全面的分析[6]。
4 結論
�、傺芯拷Y果顯示，在系統發(fā)育樹(shù)中，綿羊、牛和山羊的PTGER3基因的同源性高于其他物種。
�、谕ㄟ^(guò)分析綿羊的PTGER3基因序列編碼產(chǎn)物的氨基酸的組成，得知分子量為45 568.48 Da，其等電點(diǎn)為9.46，是堿性蛋白質(zhì)。
�、垲A測顯示編碼產(chǎn)物是非酶非跨膜非分泌蛋白質(zhì)，并根據組成的各類(lèi)氨基酸分子理化性質(zhì)和比例關(guān)系，推測該編碼產(chǎn)物是分布于細胞膜表面，通過(guò)調控離子通道達到調節生理功能的作用。
�、芡ㄟ^(guò)對其氨基酸序列的結構域的特點(diǎn)，預測在生物體中該蛋白的生理功能是主要參與細胞中輔酶因子的生物合成、中間產(chǎn)物的代謝和能量代謝。
參考文獻
[1]李劼若，鄧思遠，侯輝歌，等.前列腺素E2調控骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化最佳濃度及其效應基因[J].中國組織工程研究，2014（14）：2147-2152.
[2]張迪.PTGER3基因多態(tài)性與精神分裂癥的關(guān)聯(lián)性研究[D].長(cháng)春：吉林大學(xué)，2009.
[3]趙荷雅.前列腺素受體EP3的結構與功能研究[D].長(cháng)春：吉林大學(xué)，2013.
[4]趙玉華.G蛋白偶聯(lián)受體的研究進(jìn)展[J].國外醫學(xué)（分子生物學(xué)分冊），2002（5）：302-305.
[5]侯永豐，李通化.HMM用于G蛋白偶聯(lián)受體超家族的識別[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（12）：1696-1700.
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