王宏博,梁春年,包鵬甲,張良斌,裴杰,吳曉云,趙娟花,閻萍(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅蘭州730050;2.甘肅省牦牛繁育工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)
牦牛KAP3.3基因的克隆及生物信息學(xué)分析
王宏博,梁春年,包鵬甲,張良斌,裴杰,吳曉云,趙娟花,閻萍*
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅蘭州730050;2.甘肅省牦牛繁育工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)
本研究以牦牛的角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白3.3(KAP3.3)基因作為研究對(duì)象,通過查詢GenBank中收錄的黃牛KAP3.3基因的mRNA序列設(shè)計(jì)1對(duì)特異性引物,通過逆PCR、PCR以及基因克隆測(cè)序的方法首次獲得牦牛的KAP3.3基因完整的CDS區(qū)序列,并對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析。結(jié)果表明:牦牛KAP3.3基因的CDS區(qū)為297 bp,編碼98個(gè)氨基酸;編碼的蛋白質(zhì)屬于親水性蛋白。二級(jí)結(jié)構(gòu)含有延伸鏈、β轉(zhuǎn)角以及無規(guī)卷曲3種。氨基酸序列與黃牛的完全一致,具有Keratin,high sulphur matrix protein家族的完整結(jié)構(gòu)域。
牦牛;KAP3.3蛋白;CDS區(qū)
角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白(keratin associated protein,KAP)作為絨毛的重要蛋白,是毛基質(zhì)的主要成分,與角蛋白中間絲(keratin intermediate filament,KIF)共同構(gòu)成了毛纖維[1],在毛干的韌性和強(qiáng)度方面具有重要作用。KAP家族基因在決定絨毛的細(xì)度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度、彎曲、光澤度、彈性等起了關(guān)鍵作用[2]。KAP6、KAP7和KAP8與羊毛的直徑相關(guān)[3]。而KAP1.1和KAP1.3有一個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)與羊毛的細(xì)度有顯著相關(guān)性[4]。研究發(fā)現(xiàn),KAP3.2基因與毛長(zhǎng)和產(chǎn)絨量有一點(diǎn)相關(guān)性[5]。而獺兔KAP3.2基因與其毛密度有關(guān)[6]。KAP家族基因的研究報(bào)道相對(duì)較多,但是關(guān)于KAP3.3基因的相關(guān)報(bào)道卻在國內(nèi)外都未發(fā)現(xiàn)。且研究KAP家族基因的對(duì)象多是綿羊、山羊、人和小鼠,牦牛方面該基因家族的研究尚未見報(bào)道。
牦牛主要分布在青藏高原及其周邊,能夠適應(yīng)嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境。牦牛是唯一產(chǎn)絨的牛種,天祝白牦牛是我國稀有珍貴品種,因其全身被白色絨毛而有“祁連白牡丹”等美稱。因天祝白牦牛白色絨毛有利于染色,可在多種商品中使用,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,研究其絨毛的生長(zhǎng)特性對(duì)于提高牦牛的產(chǎn)絨量有至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)通過克隆得到天祝白牦牛KAP3.3基因CDS區(qū)全長(zhǎng)序列,并對(duì)其蛋白理化性質(zhì)、亞細(xì)胞定位、結(jié)構(gòu)域及功能預(yù)測(cè)、系統(tǒng)進(jìn)化等進(jìn)行分析,為進(jìn)一步研究該蛋白生理功能及周期表達(dá)差異做鋪墊。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1.1 樣品、克隆載體及感受態(tài)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)樣品取自甘肅省天祝藏族自治縣,采集天祝白牦牛皮膚組織液氮凍存帶回實(shí)驗(yàn)室,保存在-80℃冰箱中備用;大腸桿菌(E.coil)由大連寶生物公司提供;克隆載體pGEM-T Easy采自普洛麥格生物技術(shù)有限公司。
1.1.2 分子生物學(xué)試劑RNA提取試劑盒、2×Taq PCR MasterMix、瓊脂糖凝膠回收試劑盒和質(zhì)粒提取試劑盒采自TIANGEN公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒由TaKaRa公司提供;瓊脂糖由上海YITO公司提供;瓊脂粉、酵母浸出粉和胰蛋白胨采自O(shè)XOID公司,X-gal、IPTG、Amp采自上海生工生物公司。
1.1.3 引物設(shè)計(jì)及合成以GenBank中黃牛KAP3.3基因的mRNA序列(登錄號(hào):XM_002702188.3)為模板,使用Primer Primer5.0設(shè)計(jì)1對(duì)引物,序列為F:5′-AAGCCACTGATGACACCTCA-3′,R:5′-GAGCCACA GTTAGTTGCAGG-3′,委托上海生工生物公司進(jìn)行合成。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 提取皮膚樣品中的總RNA于10月中旬選取1只成年的體質(zhì)健康的雄性天祝白牦牛,將體側(cè)部位絨和毛剪去,用刀片切割皮膚組織,使用RNA提取試劑盒提取牦牛皮膚組織RNA,用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后,將濃度稀釋至500 ng/μL,保存于-80℃冰箱中。
1.2.2 RT-PCR按照TaKaRa公司反轉(zhuǎn)錄試劑盒的要求進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng),合成牦牛皮膚組織的cDNA。主要步驟為在PCR管依次加入5×gDNA Eraser Buffer 2 μL,gDNA Eraser 1 μL,RNase Free dH2O 6 μL,500 ng/μL總RNA 1 μL,混勻后42℃2 min。在以上反應(yīng)中依次加入5×Prime Script Buffer 4 μL,RNase Free dH2O 4 μL,RT PrimerMix 1 μL,Prime-Script RT Enzyme Mix 1 μL,混合后42℃15 min,85℃5 s條件下反應(yīng),得到cDNA,采用NanoDrop2000/2000c分光光度計(jì)檢測(cè)濃度后,放入-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.3 PCR擴(kuò)增根據(jù)設(shè)計(jì)的引物,以cDNA為模板,使用2×Taq PCR MasterMix進(jìn)行擴(kuò)增。反應(yīng)體系50 μL:模板2 μL,10 mmol/L引物F、R各1 μL,2×Taq PCR MasterMix 25 μL,ddH2O 20 μL。PCR反應(yīng)體系:預(yù)變性94℃4 min;變性94℃30 s,退火62.8℃30 s,延伸72℃50 s,循環(huán)30次;72℃10 min。使用1%瓊脂糖凝膠對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行電泳檢測(cè),根據(jù)瓊脂糖凝膠回收試劑盒的操作步驟將PCR產(chǎn)物回收并取6 μL加入1%瓊脂糖凝膠進(jìn)行檢測(cè)。
1.2.4 克隆KAP3.3基因?qū)z測(cè)合格的PCR產(chǎn)物加入含有pGEM-T Easy克隆載體的液體中,并加入T4 DNA連接酶以及Buffer,在16℃水浴鍋中進(jìn)行過夜連接。將過夜連接的質(zhì)粒加入到E.coil DH5α感受態(tài)細(xì)胞中并加入SOC培養(yǎng)基,在恒溫?fù)u床37℃,200 r/min振蕩培養(yǎng)1 h,取適量涂布于含有X-gal、IPTG和Amp抗性的LB固體培養(yǎng)基上,在恒溫培養(yǎng)箱37℃培養(yǎng)12 h。使用接種環(huán)挑取培養(yǎng)基上白色陽性光滑菌落,并將其接種于含有Amp的LB液體培養(yǎng)基中,在37℃恒溫培養(yǎng)箱中200 r/min進(jìn)行過夜培養(yǎng)。依照質(zhì)?;厥赵噭┖械恼f明對(duì)菌液中的質(zhì)粒進(jìn)行提取,進(jìn)行雙酶切鑒定。將鑒定合格的菌液委托上海生工生物公司進(jìn)行序列測(cè)定。
1.2.5 KAP3.3基因的生物信息學(xué)分析使用在線軟件Open Reading Frame Finder(ORF Finder)(http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/orfig.cgi)預(yù)測(cè)牦牛KAP3.3基因的開放閱讀框;將牦牛KAP3.3基因編碼蛋白的氨基酸序列輸入到在線軟件ProtScale(http://web. expasy.org/protscale/)和Protparam(http://web.expasy. org/protparam/)進(jìn)行蛋白質(zhì)的疏水性質(zhì)和理化性質(zhì)分析;使用PSORT II(http://psort.nibb.ac.jp/)在線軟件預(yù)測(cè)亞細(xì)胞定位;使用在線軟件NetPhos2.0Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/ NetPhos/)、TMHMM ServerV2.0(http://www.cbs.dtu. dk/services/TMHMM/)和SignalP4.1(http://www.cbs. dtu.dk/services/SignalP-4.1/)分析蛋白質(zhì)的磷酸化位點(diǎn)、跨膜結(jié)構(gòu)域及信號(hào)肽位點(diǎn);使用FoldIndex(http://bip.weizmann.ac.il/fldbin/findex)在線軟件分析氨基酸序列的無序化特性;使用在線軟件Interpro(http://www.ebi.ac.uk/interpro/)分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域;使用SOPMA(http://npsa-pbil.ibcp.fr/ cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma. html)在線軟件預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。使用ProtFun 2.2(http://www.cbs.dtu.dk/services/ProtFun/)在線軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)。在GenBank中下載不同物種KAP3.3基因編碼的氨基酸序列,使用MegAlign軟件進(jìn)行同源性分析;使用MEGA 5.1軟件進(jìn)行NJ法構(gòu)建KAP3.3基因的系統(tǒng)發(fā)育樹。
2.1 牦牛KAP3.3基因PCR擴(kuò)增將擴(kuò)增產(chǎn)物加入到1%的瓊脂糖凝膠中進(jìn)行電泳,結(jié)果顯示PCR產(chǎn)物的條帶與Marker的700 bp基本一致,該片段與696 bp的目的片段大小相符(圖1)。
圖1 牦牛KAP3.3基因的PCR電泳圖
2.2 牦牛KAP3.3基因的克隆及序列分析將克隆測(cè)序的結(jié)果去除載體序列結(jié)果與預(yù)期一致,為696 bp。BLAST分析顯示,與黃牛的相似度高達(dá)99%,可以確定該基因是牦牛KAP3.3基因。ORF Finder在線分析發(fā)現(xiàn)牦牛KAP3.3基因的開放閱讀框?yàn)?97 bp,共編碼98個(gè)氨基酸,起始密碼子為ATG,終止密碼子為TGA(圖2)。
圖2 牦牛KAP3.3基因開放閱讀框及編碼蛋白序列
2.3 牦牛KAP3.3蛋白的生物信息學(xué)分析
2.3.1 理化性質(zhì)分析使用Protparam在線軟件對(duì)牦牛KAP3.3蛋白的理化性質(zhì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),牦牛KAP3.3蛋白的分子量為10.4162 ku,PI值為5.37,該蛋白包含20種基本氨基酸,含量最高的為Cys(19.4%),含量最低的為L(zhǎng)ys(1%)、Trp(1%)、Met(1%)和Tyr(1%)。帶負(fù)電荷的氨基酸(Asp+Glu)有5個(gè),帶正電荷的氨基酸(Arg+Lys)有3個(gè)。
2.3.2 親疏水性和跨膜結(jié)構(gòu)分析根據(jù)ProtScale在線軟件分析牦牛KAP3.3基因氨基酸序列的親疏水性。由圖3可知,KAP3.3氨基酸序列第5位峰值最高,為1.967;第88位峰值最低為-1.244,平均峰值為-0.49,屬于親水蛋白質(zhì)。蛋白跨膜區(qū)域預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)牦牛KAP3.3蛋白全部氨基酸都在膜的表面,從而證實(shí)該蛋白是一種表面蛋白。
圖3 牛KAP3.3蛋白親疏水性分析結(jié)果
2.3.3 亞細(xì)胞定位分析在線軟件PSORT II對(duì)牦牛KAP3.3蛋白亞細(xì)胞進(jìn)行定位分析。由表1可知,其分布在線粒體的可能性為21.7%,分布在細(xì)胞核的可能性為34.8%,胞外分泌的可能性為17.4%,分布在細(xì)胞質(zhì)的可能性為21.7%,分布在細(xì)胞骨架上的可能性為4.3%。因此可以判斷該蛋白主要在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)作用。
表1 牦牛KAP3.3蛋白亞細(xì)胞定位%
2.3.4 磷酸化和信號(hào)肽位點(diǎn)分析依照NetPhos2.0 Server軟件預(yù)測(cè)牦牛KAP3.3基因編碼蛋白質(zhì)磷酸化位點(diǎn)可知(圖4),KAP3.3蛋白共有5個(gè)磷酸化位點(diǎn),分別是Ser 3個(gè)、Thr 2個(gè)。使用SignalP4.1預(yù)測(cè)KAP3.3蛋白的切割位點(diǎn)以及分泌途徑可知該蛋白沒有信號(hào)肽。
2.3.5 無序化特性及結(jié)構(gòu)域分析根據(jù)FoldIndex軟件分析牦牛KAP3.3蛋白氨基酸序列的無序化特性,可知KAP3.3蛋白中并未發(fā)現(xiàn)無序化區(qū)域。根據(jù)軟件Interpro對(duì)牦牛KAP3.3蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)(圖5),可知該序列有完整的Keratin,high sulphur matrix protein家族蛋白的結(jié)構(gòu)域。
2.3.6 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)使用軟件SOPMA預(yù)測(cè)KAP3.3蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)(圖6),可知該蛋白延伸鏈含26個(gè)氨基酸,占26.53%;β轉(zhuǎn)角含3個(gè)氨基酸,占3.06%;無規(guī)卷曲含69個(gè)氨基酸,占70.41%。
2.3.7 功能預(yù)測(cè)在線軟件ProtFun2.2預(yù)測(cè)的結(jié)果(表2)可知,KAP3.3是結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,并且都是具有酶功能的蛋白,蛋白加粗的表示功能的指向。
2.3.8 系統(tǒng)進(jìn)化分析從NCBI數(shù)據(jù)庫中下載以下KAP3.3蛋白的序列:抹香鯨(Physetermacrocephalus)(XM_007129082.1)、黃牛(Bostaurus)(NM_001077103.1)、小須鯨(Balaenoptera acutorostrata)(XM_007177606.1)、人(Homo sapiens)(BC093845.1)、羊駝(V.pacos)(XM_006214297.1)、埃式象鼩(E.edwardii)(XM_006889436.1)、大熊貓(Ailuropoda melanoleuca(David))(XM_002924947.1)。根據(jù)MegAlign軟件進(jìn)行同源性比較分析。圖7顯示,牦牛KAP3.3蛋白跟黃牛的完全一致,相似性為100%。使用MEGA5.10軟件進(jìn)行NJ法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖8),結(jié)果與同源性分析比較的結(jié)果基本一致,牦牛KAP3.3蛋白與黃牛在同一分支上。
絨毛作為畜牧業(yè)重要的副產(chǎn)品,為紡織工業(yè)提供重要的天然纖維原料,KAP基因家族是編碼絨毛纖維的重要結(jié)構(gòu)蛋白。本實(shí)驗(yàn)首次克隆了牦牛KAP3.3基因完整CDS區(qū),并提交到GenBank(登錄號(hào):KM514664)。生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示,KAP3.3基因開放閱讀框長(zhǎng)度為297 bp,編碼98個(gè)氨基酸。編碼蛋白分子量為10.416 2 ku,PI值5.37,為親水性表面蛋白,亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示該蛋白主要在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)功能。磷酸化過程是蛋白質(zhì)翻譯后的一個(gè)重要過程,與許多生物學(xué)功能有關(guān),如DNA損傷修復(fù)[1]、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)[7]、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[8]、細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)等[9-12],牦牛KAP3.3蛋白具有5個(gè)磷酸化位點(diǎn)。KAP3.3蛋白沒有無序化區(qū)域,而在分析該蛋白的結(jié)構(gòu)域時(shí)發(fā)現(xiàn)其含有完整的Keratin,high sulphur matrix protein家族蛋白的結(jié)構(gòu)域。含有延伸鏈、β轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲3種二級(jí)結(jié)構(gòu),無規(guī)則卷曲含量最高,占70.41%,β轉(zhuǎn)角含量最少,只占3.06%。這3種元件共同決定KAP3.3蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu),使其具有生物學(xué)功能。
圖4 牦牛KAP3.3蛋白磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)
圖5 牦牛KAP3.3蛋白結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)
圖6 牦牛KAP3.3蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
表2 牦牛KAP3.3蛋白的功能預(yù)測(cè)
牦牛和黃牛KAP3.3蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)其保守性達(dá)100%,但編碼基因BLAST分析結(jié)果顯示其相似度為僅99%,說明編碼部分蛋白的堿基發(fā)生了同義突變。對(duì)高原型藏綿羊KAP3.2的研究發(fā)現(xiàn)該基因處于Hardy-Weinberg非平衡狀態(tài),且等位基因數(shù)明顯偏低,處于中度多態(tài),推測(cè)是由長(zhǎng)期遷徙、遺傳漂變及本品種選育過程中產(chǎn)毛性狀受高強(qiáng)度人工選擇導(dǎo)致其高度近交,造成部分等位基因流失有關(guān)[13]。系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),牦牛和黃牛的KAP3.3蛋白處于同一個(gè)分支,說明牦牛和黃牛的KAP3.3親緣性較近。來自父系遺傳[14]、母系遺傳[15]及常染色體的研究都顯示牦牛與黃牛的遺傳距離較近,與本研究結(jié)果一致。8個(gè)物種的蛋白相似率達(dá)到了80%以上。說明KAP3.3蛋白比較保守,吳添文[5]通過比較家兔KAP3.3基因序列與小鼠、豬、人、黑猩猩、牛等哺乳動(dòng)物的同源性,發(fā)現(xiàn)均達(dá)80%以上,指出該基因在不同物種中存在著一定差異,但也說明該基因在進(jìn)化過程中相對(duì)保守,其結(jié)果與本研究一致。
圖7 不同物種KAP3.3蛋白相似性分析
圖8 NJ法構(gòu)建KAP3.3蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹
牦牛KAP3.3基因CDS區(qū)的全長(zhǎng)為297 bp,共編碼98個(gè)氨基酸,該蛋白是親水蛋白,主要在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)作用,含有5個(gè)磷酸化位點(diǎn),有3種二級(jí)結(jié)構(gòu),含有完整的Keratin,high sulphur matrix protein家族結(jié)構(gòu)域,是一個(gè)保守性較高的蛋白。
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甘肅牧區(qū)生產(chǎn)生態(tài)生活優(yōu)化保障技術(shù)集成與示范(2012BAD13B05);中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院牦牛資源與育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-01);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(肉牛牦牛)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-38)
王宏博(1977-),男,甘肅莊浪人,博士,副研究員,研究方向?yàn)閯?dòng)物生產(chǎn),E-mail:hongbo610@163.com
*通訊作者:閻萍,E-mail:pingyan@sohu.com