綿羊BMPR1B基因的生物信息學分析

焦丹，劉秀，李少斌，王繼卿，閆偉，李文浩，羅玉柱

(甘肅省草食動物生物技術重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州　730070)

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綿羊BMPR1B基因的生物信息學分析

焦丹，劉秀，李少斌，王繼卿，閆偉，李文浩，羅玉柱

(甘肅省草食動物生物技術重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州730070)

【目的】 利用生物信息學軟件對綿羊BMPR1B基因進行分析，并了解其功能和結構，為進一步探討B(tài)MPR1B基因在綿羊生長繁殖以及綿羊卵泡生長和分泌和產(chǎn)羔率等研究奠定遺傳信息基礎.【方法】 利用生物信息學對綿羊骨形態(tài)發(fā)生蛋白1β(bone morphogenetic protein 1 beta,BMPR1B)基因的蛋白理化性質(zhì)、亞細胞定位、潛在信號肽剪切位點、蛋白跨膜螺旋結構、糖基化和磷酸化位點、蛋白保守結構域、親疏水性和編碼產(chǎn)物進行功能預測分析，及其編碼蛋白的二級結構和三級結構等進行分析預測.【結果】 綿羊BMPR1B基因CDs編碼蛋白質(zhì)的502個氨基酸殘基中，帶電荷氨基酸、疏水氨基酸和極性氨基酸含量較高.相對分子量為56 907.4 U，理論等電點pI為7.78；亞細胞主要定位于細胞核，不屬于分泌蛋白；無信號肽序列；預測含有32個磷酸化位點和2個糖基化位點；存在一段跨膜結構且分別有一個GS和S-TKc的結構域，二級結構以無規(guī)卷曲為主.預測該蛋白在翻譯和脂肪代謝過程中有著重要意義.【結論】 綿羊BMPR1B蛋白包含502個氨基酸，為細胞核合成蛋白，該蛋白翻譯后修飾的主要方式是磷酸化，在細胞內(nèi)主要行翻譯和脂肪代謝作用.蛋白二級結以無規(guī)卷曲為主，三級結構主要由α螺旋和無規(guī)卷曲纏繞折疊形成.

綿羊；骨形態(tài)發(fā)生蛋白1β基因；生物信息學

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)是20世紀60年代發(fā)現(xiàn)存在于骨基質(zhì)中的可誘導骨形成的活性蛋白[1]，屬于轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGFβ)超家族，BMPs通過與骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體(Bone morphogenetic protein receptor，BMPR)結合發(fā)揮功能作用，促進軟骨和骨組織形成[2]，調(diào)節(jié)細胞的增殖、分化、遷移、凋亡、細胞支持以及胚胎發(fā)育等[3].骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型分別編碼BMPR1A、BMPR1B和ACVR1A受體[4]，2種Ⅰ型的BMP信號傳導受體BMPR1A和BMPR1B共同作用預防卵巢腫瘤[5].骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是TGF-β信號轉(zhuǎn)導通路的一部分，其遺傳多態(tài)性可能與結直腸癌具有相關性[6]，由于BMPR1B基因編碼一個TGF亞基受體成員，因此具有與TGF受體分子類似的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結構和信號傳導機制[7].

BMPR1B基因作為增加排卵率的主效基因最先發(fā)現(xiàn)于Booroola‘美利奴羊’[8].之后也發(fā)現(xiàn)，該基因具有影響卵泡顆粒細胞分化和卵泡發(fā)育、促進排卵等作用[9，10]，BMPR1B基因主要表達于與綿羊繁殖有關的器官和組織中，如卵巢、睪丸、子宮和前列腺，在腦、骨骼肌和腎臟中也有表達[11].王啟貴[12]和閆亞東等[13]研究發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)存在該基因突變的‘湖羊’和‘小尾寒羊’，其繁殖力高于其他綿羊品種.姚玉昌[14]等對‘東北半細毛羊’和‘夏洛萊羊’研究發(fā)現(xiàn)BMPR1B基因突變型群體其排卵數(shù)顯著高于未突變型.而馮利君[15]等研究發(fā)現(xiàn)，‘策勒黑羊’BMPR1B基因上的突變對母羊的雌二醇和孕酮分泌水平?jīng)]有影響.

目前，BMPR1B基因的研究主要集中在綿羊、牛和豬的繁殖性狀和生產(chǎn)性狀的遺傳效應上，蛋白在機體各組織中廣泛表達，其核苷酸序列已經(jīng)公布，但國內(nèi)外尚無對綿羊BMPR1B基因及其結合蛋白的報道研究.本文通過對綿羊BMPR1B基因進行生物信息學分析，預測分析該基因的蛋白理化性質(zhì)、基因的結構和功能，為該基因在分子水平上的研究提供基礎數(shù)據(jù).

1　材料與方法

1.1序列來源

基因序列來源于NCBI的GeneBank數(shù)據(jù)庫，登錄號：NC_019463.1.

1.2研究方法

綿羊BMPR1B蛋白理化性質(zhì)分析采用DNAstar及ProtParam軟件分析預測；亞細胞定位采用TargetP預測；蛋白潛在信號肽剪切位點采用SignalP 4.0軟件；利用TMPRED和TMHMM 2.0對蛋白跨膜螺旋結構進行分析預測；利用NetPhos 2.0和NETOGlyc 3.1軟件對蛋白潛在磷酸化位點和糖基化位點進行分析；蛋白保守結構域分析采用Smart軟件；ProtScale進行蛋白親疏水性分析；Protfun分析預測蛋白功能；采用Hopfield軟件分析蛋白二級結構，Swiss-model軟件分析蛋白三級結構.

2　結果與分析

2.1綿羊BMPR1B蛋白理化性質(zhì)

運用DNAstar軟件分析預測發(fā)現(xiàn)，綿羊BMPR1B基因CDs編碼蛋白質(zhì)的502個氨基酸殘基中，有63 個堿性氨基酸(K，R)，占氨基酸總數(shù)的12.55%；61個酸性氨基酸(D，E)，占氨基酸總數(shù)的12.15%；150個疏水氨基酸(A，I，F(xiàn)，W，V)，占氨基酸總數(shù)的29.88%；141個極性氨基酸(N，C，Q，S，T，Y)，占氨基酸總數(shù)的28.09%；176個帶電荷氨基酸(R，K，H，Y，C，D，E)，占氨基酸總數(shù)的35.06%.

采用網(wǎng)上ProtParam預測綿羊BMPR1B蛋白的理化性質(zhì)，得出編碼的502個氨基酸其分子量為56 907.4 u，理論等電點pI為7.78；在組成BMPR1B蛋白的20種氨基酸中，Leu所占比例最高，達到10.0%，而Trp含量最低，為1.4%.

2.2綿羊BMPR1B蛋白亞細胞定位

運用TargetP軟件對蛋白亞細胞定位結果見表1.綿羊BMPR1B蛋白的亞細胞分布在細胞核的可能性為47.8%，分布于線粒體的可能性為21.7%，分布于細胞質(zhì)、囊泡分泌系統(tǒng)和質(zhì)膜的可能性均為8.7%，分布于過氧化物酶的可能性為4.3%.由此推斷，綿羊BMPR1B基因主要在細胞核中發(fā)揮生物學作用，部分存在于線粒體中.

表1　綿羊BMPR1B基因蛋白亞細胞定位分析結果Tab.1　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein subcellular localization

2.3綿羊BMPR1B蛋白潛在信號肽剪切位點預測

利用SignalP 4.0軟件對綿羊BMPR1B基因蛋白潛在信號肽剪切位點的分析預測可直觀看出該基因氨基酸的score(圖1).根據(jù)分析預測可知，綿羊BMPR1B基因蛋白N端信號肽結構在BMPR1B氨基酸序列中不存在剪切位點.

2.4綿羊BMPR1B蛋白跨膜螺旋結構預測

利用TMPRED和TMHMM 2.0軟件分析，結果顯示在第127-149位氨基酸之間有一段跨膜結構，其中第1-126位氨基酸在細胞膜外，第150-502位氨基酸在細胞質(zhì)內(nèi).

2.5綿羊BMPR1B蛋白潛在磷酸化位點和糖基化位點分析

利用NetPhos 2.0軟件分析BMPR1B蛋白潛在磷酸化位點，結果表明有20個Ser，7個Thr，和5個Tyr，可能成為蛋白激酶磷酸化的位點(圖3).利用NETOGlyc 3.1軟件分析BMPR1B蛋白潛在糖基化位點，綿羊BMPR1B存在2個潛在的糖基化位點(圖4).說明該蛋白翻譯后修飾的主要方式之一是磷酸化.

圖1　綿羊BMPR1B基因蛋白潛在信號 肽剪切位點分析結果Fig.1　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein in the potential cleavage sites of signal peptide

圖2　綿羊BMPR1B基因蛋白跨膜螺旋 結構分析結果Fig.2　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein transmembrane helix structure

圖3　綿羊BMPR1B蛋白潛在磷酸化 位點分析結果Fig.3　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein in the potential phosphorylation site

2.6綿羊BMPR1B蛋白保守結構域分析

據(jù)Smart軟件分析結果得知(圖5)，綿羊BMPR1B第127-149位氨基酸殘基存在跨膜區(qū)，第174-204位和第204-491位氨基酸殘基分別有一個GS和S-TKc的結構域.

圖4　綿羊BMPR1B蛋白潛在糖基化 位點分析結果Fig.4　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein in the potential glycosylation site

圖5　綿羊BMPR1B蛋白保守結構域Fig.5　The sheep BMPR1 beta gene protein conserved domain表2　綿羊BMPR1B蛋白保守結構域分析數(shù)據(jù)Tab.2　The analysis data of protein conserved domain in the sheep BMPR1 beta gene

名稱起始位點終止位點E值Transmembraneregion127149N/AGS1742044.58e-13STKc2044917.38e-15

2.7綿羊BMPR1B蛋白親疏水性分析

利用ExPASy的Protscale分析蛋白疏水性發(fā)現(xiàn)(圖6)，該基因編碼蛋白疏水性最大值為3.889(141位)，最小值為-2.833(153-155位)，由此可知該基因編碼的蛋白屬于親水蛋白.

圖6　綿羊BMPR1B氨基酸親疏水性分析結果Fig.6　The analysis result of hydrophilicity and hydrophobicity profile of sheep BMPR1 beta amino acids

2.8綿羊BMPR1B蛋白功能預測與分析

從Protfun軟件分析結果可知(表3)，該蛋白具有該蛋白具有輔助因子(biosynthesis of cofactors)、脂肪酸代謝(fattyacid metabolism)、嘌呤和嘧啶(purines and pyrimidines)、調(diào)節(jié)功能(regulatory functions)、翻譯(translation)的可能性分別為1.017、2.216、1.017、1.655、2.758.說明綿羊BMPR1B基因在翻譯和脂肪酸代謝中發(fā)揮重要作用，同時對嘌呤和嘧啶、調(diào)節(jié)功能等也起著關鍵作用，而且該蛋白也作為輔助因子在綿羊體內(nèi)起著重要作用.

表3　綿羊BMPR1B蛋白功能預測分析Tab.3　The analysis of protein function in the sheep BMPR1 beta gene

2.9綿羊BMPR1B蛋白二級結構預測

通過Hopfield軟件分析可知(圖7)，綿羊BMPR1B蛋白二級結構如下，α螺旋(alpha helix，Hh)：144，28.69%，β折疊(extended strand，Ee):51，10.16%，無規(guī)卷曲(Random coil )(Cc):307，61.16%.預測可知綿羊BMPR1B蛋白二級結以無規(guī)卷曲為主.

2.10綿羊BMPR1B蛋白三級結構預測

Swiss-model軟件分析綿羊BMPR1B蛋白三級結構預測(圖8)，可知該蛋白三級結構主要是由α螺旋和無規(guī)卷曲纏繞折疊形成.

3　討論

綿羊BMPR1B基因位于第6號染色體上，mRNA全長3 266 bp，包括12個外顯子.該基因基因CDs編碼蛋白質(zhì)的502個氨基酸殘基中，帶電荷氨基酸和疏水氨基酸分別占氨基酸總數(shù)的35.06%和28.09%，成為編碼該蛋白的主要氨基酸.其相對分子量為56 907.4 u，理論等電點pI為7.78.亞細胞定位可預測基因在細胞核中發(fā)揮生物學作用的區(qū)域，綿羊該蛋白主要由核外的游離核糖體合成，合成后由引導肽導向靶位點.該基因在第127-149位氨基酸之間有一段跨膜結構，其中第1-126位氨基酸在細胞膜外，第150-502位氨基酸在細胞質(zhì)內(nèi).信號肽剪切位點的預測主要是通過S值的大小來判斷該蛋白是否屬于分泌蛋白，如果S均值大于0.5，則該蛋白屬于分泌蛋白.反之則不屬于分泌蛋白.由于該基因在氨基酸序列中不存在剪切位點，且S值約0.1，小于0.5，說明該蛋白不屬于分泌蛋白.經(jīng)潛在磷酸化位點和糖基化位點分析得知，BMPR1B蛋白翻譯后修飾的主要方式之一是磷酸化，該修飾方式主要是誘導BMPR1B受體以磷酸化方式活化[16].該受體會迅速作用于細胞內(nèi)相應的Smads信號傳遞蛋白，并啟動信號轉(zhuǎn)導形成有活性的轉(zhuǎn)錄復合物，在細胞核內(nèi)發(fā)揮其相應的生物學效應[17].

圖7　綿羊BMPR1B蛋白二級結構分析結果Fig.7　The analysis result of sheep BMPR1 beta protein secondary structure

圖8　綿羊BMPR1B蛋白三級結構分析結果Fig.8　The analysis result of sheep BMPR1 beta protein tertiary structure

蛋白保守結構域分析發(fā)現(xiàn)，綿羊BMPR1B基因在第127-149位氨基酸殘基存在跨膜區(qū)，第174-204位和第204-491位氨基酸殘基分別有一個GS和S TKc的結構域，且均位于胞內(nèi).研究發(fā)現(xiàn)GS區(qū)高度保守且富含絲氨酸-甘氨酸序列，即TTSGSGSGLP，是TGFβⅠ型受體活化的關鍵部位[18].通過親疏水性分析可知綿羊該基因編碼的蛋白屬于親水蛋白.進一步對該基因功能分析預測發(fā)現(xiàn)，該基因編碼的蛋白在翻譯和脂肪酸代謝中發(fā)揮重要作用，同時對嘌呤和嘧啶、調(diào)節(jié)功能等也起著關鍵作用，而且該蛋白也作為輔助因子在綿羊體內(nèi)起著重要作用.蛋白質(zhì)二級結構發(fā)現(xiàn)該蛋白主要以無規(guī)卷曲為主，α螺旋也占有一定比例.由于氨基酸的二級結構是高級結構的基礎，也對高級結構的形成產(chǎn)生影響.而軟件分析可知三級結構主要是由α螺旋和無規(guī)卷曲纏繞折疊形成.

本研究利用生物信息學軟件對綿羊BMPR1B基因進行了分析，運用生物信息學和數(shù)量科學的觀點、方法和理論對該基因進行了比較分析，并了解了其功能和結構，為進一步探討B(tài)MPR1B基因在綿羊生長繁殖以及綿羊卵泡生長和分泌和產(chǎn)羔率等研究奠定了遺傳信息基礎.

4　結論

綿羊BMPR1B蛋白相對分子量為56 907.4 U，理論等電點pI為7.78.BMPR1B基因CDs編碼蛋白質(zhì)的502個氨基酸殘基中，帶電荷氨基酸和疏水氨基酸含量較高.亞細胞主要定位于細胞核，不屬于分泌蛋白.預測含有32個磷酸化位點和2個糖基化位點.存在一段跨膜結構且分別有一個GS和S TKc的結構域，二級結構以無規(guī)卷曲為主.預測該蛋白在翻譯和脂肪代謝過程中有著重要意義.本研究為進一步探討B(tài)MPR1B基因在綿羊繁殖功能及卵泡率和產(chǎn)羔率等研究奠定了遺傳信息基礎.

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(責任編輯李辛)

Bioinformatics analysis ofBMPR1Bgene in sheep

JIAO Dan,LIU Xiu,LI Shao-bin,WANG Ji-qing,YAN Wei,LI Wen-hao,LUO Yu-zhu

(Key Laboratory of Herbivorous Animal Biotechnology of Gansu Province,College of Animal Science and Technology,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 To analyze the biological information ofBMPR1Bgene in sheep,to understand its function and structure,and to lay the foundation of genetic information ofBMPR1Bgene in sheep growth reproduction,ovine follicle growth,secretion and the rate of lambing.【Method】 Bioinformatics of bone morphogenetic protein 1 beta gene of sheep were analyzed by using genome database on the physical and chemical properties,subcellular localization,the potential cleavage site of signal peptides,protein transmembrane helix structure,glycosylation and phosphorylation sites,encoding products function,protein conserved domain,hydrophilicity and hydrophobicity,secondary structure and tertiary structure.【Result】 The charged amino acid and polar amino acid contents are higher than other amino acids in the 502 amino-acid residues which codeBMPR1Bgene protein of sheep and in its coding region；The relative molecular weight is 56 907.4 U and theoretical isoelectric point is 7.78；Subcellular localization mainly locate in nucleus,it dose not belong to the secretory protein and has no signal sequence；It is predicted that the protein has 32 phosphorylation sites and 2 glycosylation sites；There is a transmembrane structure and a GS and S TKc structural domain,random coil is the mainly structure in the secondary structure；The protein plays an important role in translation and fat metabolism.【Conclusion】 The BMPR1B protein of sheep contains 502 amino acids,which is a nuclear protein.Phosphorylation is the main method for the modification after the protein translation.The protein plays the role of translation and fat metabolism,which secondary structure is mainly in random coil,and the tertiary structure is mainly composed of alpha helix g and random coil winding.

sheep；BMPR1Bgene；bioinformatics

焦丹(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為動物遺傳育種與繁殖.E-mail：15101277124@163.com

羅玉柱，男，博士生導師，研究方向為草食動物遺傳育種與現(xiàn)代生物技術.E-mail：luoyz@gasu.edu.cn

國際科技合作專項(2011DFG33310)；甘肅省創(chuàng)新研究群體計劃(1210RJIA005)；國家科技支撐計劃課題(2012BA D13B05).

2015-04-20；

2015-05-20

S 826

A

1003-4315(2016)04-0001-06