生物信息学方法对Atrn基因的基因编码区预测,生物工程论文

生物信息学方法对Atrn基因的基因编码区预测,生物工程论文早在1960年，Lave和Green[1]就发现了小鼠中Atrn突变基因能够抑制灰鼠色基因座〔agouti〕的表示出，阻止黄色毛的构成。随着分子生物技术的不断完善及各个相关领域研究的不断深切进入，最近几年来，通过对Atrn进行遗传分析发现：Atrn为常染色体隐性基因，抑制小鼠黄色毛发的构成[2];近期也发现Atrn和Mgrn基因丧失功能突变小鼠能引起进行性的神经组织海绵状变性[3-4],同时显示Atrn能够抑制Agouti而不是AGRP所引起的肥胖；分子构造与支持细胞或轴突导向密切相关，可能在中枢神经的构成和〔或〕功能中起关键作用[5],Atrn变异的小鼠的神经变性也伴有行为的异常：年幼的小鼠有时出现稍微的震颤，较老的小鼠活动过度，有的则会发生神经肌肉衰弱和共济失调[6-7];Atrn基因产生一个具有很多细胞外受体特征的跨膜蛋白[2,8-9].由此看来，Atrn基因在生物界的作用非常广泛，值得更进一步的讨论与研究。应用生物信息学方式方法对Atrn基因的基因编码区进行预测和分析，研究Atrn基因在不同物种间和种内的遗传分化，为今后动物毛色、动物肥胖、动物神经中枢系统等问题以及动物遗传育种研究提供基础资料。1材料与方式方法1.1序列来源从GenBank中下载[10]人、牛、野牦牛、小须鲸、水牛、狼、狨、狨鼠、白犀牛、星鼻鼹鼠、犰狳、小马岛猬、埃氏象鼩、猫、裸隐鼠、食蟹猴、猕猴、雪貂、小家鼠、长臂猿、狐蝠、褐家鼠、野猪、松鼠24个物种61条Atrn基因序列〔表1〕.1.2方式方法将序列下载后，利用BioEdit软件对已下载的24个物种的61条Atrn基因共有片段长度为2620bp的CDS序列进行多重比对分析，比照结果用DanSP5软件进行遗传多态性分析，生成单倍型，计算出物种间的核苷酸歧异度、平均核苷酸差异数、遗传分化指数。应用MEGA6软件的Neighbor-joining方式方法构建系统进化树[11].利用蛋白分析专家EXPASY工具里的Sig-nalP4.0Server对Atrn氨基酸序列进行预测，利用在线工具TMHMM2.0Server对氨基酸序列的跨膜构造域进行预测，利用在线工具ProtScale对氨基酸序列的疏水性/亲水性进行预测，用PBILLYON-GERLAND信息库对氨基酸序列的二级构造进行预测，用ProtParam在线工具分析基因编码的氨基酸序列[12-13].2结果与分析2.1不同物种Atrn基因核苷酸多样性2.1.1多态位点、单倍型及核苷酸多样性通过对24个物种的61条序列比对结果进行分析，共发现899个多态位点，占34.31%,华而不实单一多态位点77个，简约多态位点822个；共31种单倍型，单倍型的多样性为0.973,能够讲明Atrn基因种间和种内变异较大。排除单一序列物种，对两个序列以上的17个物种进行分析〔表2〕,人Atrn基因平均核苷酸差异数和核苷酸多样性最高，与其他物种存在的差异较大，这能够表示清楚人的Atrn基因存在丰富的遗传多样性。【1】2.1.2不同物种Atrn基因的遗传分化根据表3,各种群间的核苷酸歧异度和遗传分化的变化范围都很大，核苷酸歧异度〔Dxy〕在0.009~0.133之间，遗传分化〔Gst〕在0.089~1.000之间，华而不实牛与水牛之间Dxy为0.009,Dxy最小，讲明它们的亲缘关系近期；其次为人与长臂猿，Dxy为0.016,人与食蟹猴的Dxy为0.020,讲明人类、长臂猿、食蟹猴的亲缘关系较近；而犰狳与所有其他物种所分析的核苷酸歧异度相差很大，因而犰狳与其他物种的亲缘关系较远。根据物种间的核苷酸歧异度〔Dxy〕构建的分子聚类图〔图1〕,可以以得到类似的结果。2.1.3不同物种Atrn的〔G+C〕含量一般来讲，亲缘关系近的物种的核苷酸的碱基组成中具有类似的〔G+C〕含量。经分析17个物种Atrn的碱基组成，发现他们之间的〔G+C〕含量在46.10%~52.40%之间〔表4〕,该结果再次讲明Atrn在不同物种间发生一定程度的遗传变异，同时也讲明了所研究物种的亲缘关系远近。华而不实犰狳Atrn中〔G+C〕含量为52.40%〔表4〕,与其他物种Atrn中〔G+C〕含量相差最大，讲明犰狳与所研究的其他物种亲缘关系最远，与之前分析的结果相符。2.1.4同义替换和非同义替换不同物种61条Atrn基因序列编码区中同义替换平均位点数为589.40个，非同义替换平均位点数为2029.60个。不同物种同义替换位点数〔SS〕为582.33~621.67〔表4〕,同义替换核苷酸多样性均值[Pi〔s〕]为0.148.非同义替换位点数〔NSS〕为1997.33~2036.67,非同义替换核苷酸多样性均值[Pi〔a〕]为0.055〔表4〕.裸隐鼠Atrn基因编码区的非同义替换较其他物种高，其次是狼。假如某基因在种系之间，同义和非同义替换之比不同，则讲明它在进化经过中所发生的突变并非中性，不符合中性突变理论[14].若各同源基因间的同义和非同义替换率之比不同，其变化范围较大〔0.0116~0.0432〕,表示清楚该基因在进化经过中不遵守中性理论且经历了净化选择[15].【2】本研究发现，所选物种的Atrn基因的非同义替换位点数均明显高于同义替换位点数，讲明所分析的这两个种群进化经过中可能经历了净化选择。2.2不同物种氨基酸序列的预测与分析2.2.1信号肽及跨膜构造域信号肽位于分泌蛋白的N端，判定蛋白质能否含有信号肽部分，能够初步揣测该蛋白质能否为分泌蛋白[17].利用在线工具SignalP4.0Serv-er预测蛋白质的信号肽，发现24个物种中有23个物种的Atrn蛋白质不含信号肽，但是猫的该蛋白质序列存在信号肽，能够初步判定猫Atrn编码的蛋白是分泌蛋白，其C值、S值、Y值在信号肽区域都较高〔图2〕.应用在线工具TMHMM2.0Server进行跨膜区预测，不同物种该蛋白均存在跨膜区，提示该蛋白是定位于生物膜的膜蛋白〔例如，图3中的矩形区域代表跨膜区〕.总结以上结论能够推断Atrn蛋白质是属于定位在生物膜上的膜蛋白或分泌蛋白。2.2.2二级构造蛋白质二级构造预测是分子生物学中的重要问题。随着蛋白质序列数据的飞速增长，已经知道的蛋白质序列和已经知道的蛋白质构造之间的差距不断增大，蛋白质构造的预测变得越来越重要。用PBILLYON-GERLAND信息库对Atrn的氨基酸序列的二级构造进行预测，统计发现24个物种的基因编码的蛋白质序列主要是由无规卷曲〔58.37%~63.75%〕和螺旋〔17.53%~23.76%〕构成，均不存在折叠、转角。2.2.3氨基酸序列的组成成分及生化特性用ProtParam在线工具分析Atrn基因编码的氨基酸序列的组成成分及生化特性。Atrn蛋白的不稳定系数在43.12~48.40之间，表示清楚这种蛋白质不稳定[17].各氨基酸的理论PI为7.17,因而Atrn蛋白呈弱碱性，含量最多的是Ser,占8.2%~9.4%;其次是Leu,占6.5%~8.0%;第三是Gly,占6.5%~7.8%.利用在线工具ProtScale分析各个物种Atrn氨基酸序列，结果显示，本研究24个物种的Atrn氨基酸序列〔负数表现为亲水性，正值表现为疏水性〕最小值为-3.711,即亲水性最强；最大值为3.800,即疏水性最强。总的来看，24个物种的Atrn氨基酸序列亲水区域大于疏水区域，表现为亲水性，提示Atrn蛋白为亲水性蛋白，处于蛋白质分子的外表。3小结不同物种间Atrn基因的核苷酸歧异度和单倍型间的遗传距离差异都较大，种内及种间遗传分化明显。Atrn基因非同义替换位点数均明显高于同义替换位点数，Atrn基因在进化经过中可能经历了净化选择。Atrn基因物种间的亲缘关系与动物学分类相符。Atrn蛋白N端有信号肽和跨膜构造域，整个多肽链表现为亲水性，蛋白质二级构造的主要元件为无规则卷曲和-螺旋，Atrn蛋白质属于定位在生物膜上的膜蛋白或分泌蛋白。以下为参考文献：[1]LanePW,GreenMC.Mahogany,arecessivecolormutationinlinkagegroupVofthemouse[J].JournalofHeredity,1960,51:228-230.[2]NagleDL,McGrailSH,VitaleJ,WoolfEA,etal.Thema-hoganyproteinisareceptorinvolvedinsuppressionofobesity[J].Nature,1999,398〔6723〕:148-152.[3]HeL,GunnTM,BouleyDM,etal.Abiochemicalfunctionforattractininagoutiinducedpigmentationandobesity[J].NatureGenetics,2001,27〔1〕:40-47[4]HeL,LuXY,JollyAF,etal.Spongiformdegenerationinmahoganoidmutantmice[J].Science,2003,299〔5607〕:710-712.[5]LuX,GunnTM,BarshGS,etal.DistributionofMahogany/AttractinmRNAintheratcentralnervoussystem[J].FEBSLetters,1999,462〔1〕:101-107.[6]DinulescuDM,FanW,BostonBA,etal.Mahogany〔mg〕stimulatesfeedingandincreasesbasalmetabolicrateindepend-entofitssuppressionofagouti[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,1998,95〔21〕:12707-12712.[7]RehmS,MehraeinP,AnzilAP,etal.Anewratmutantwithdefectiveoverhairsandspongydegenerationofthecentralnerv-oussystem:Clinicalandpathologicstudies[J].Laboratoryanimalscience,1982,32〔1〕:70-73.[8]GunnTM,MillerKA,HeL,etal.Themousemahoganylo-cusencodesatransmembraneformofhumanattractin[J].Na-ture,1999,398〔6723〕:152-156.[9]GunnTM,BarshGS.Mahogany/attractin:Enroutefromphe-notypetofunction[J].TrendsinCardiovascularMedicine,2000,10〔2〕:7-81.[10]付鑫，李祥龙，周荣艳，等。11个物种RPSA基因编码区生物信息学分析[J].湖北农业科学，2020,51〔2〕:389-390.[11]高红，彭静，沈一飞，等。不同物种FABP3基因编码区及蛋白生物信息学分析[J].扬州大学学报：农业与生命科学版，2020,35〔1〕:32.[12]杨洪一，孙立娜，张杰，等。黄瓜绿班驳花叶病毒抗原表位预测[J].河南农业科学，2020,42〔8〕:67-70.[13]胡慧艳，贾青，陶隽，等。家猪TBP蛋白构造与理化性质的生物信息学分析[J].河南农业科学，2020,43〔3〕:128-132.[14]EastealS,ColletC.Consi