牛SCD1基因的生物信息學(xué)分析

周秀敏，李強(qiáng)子，畢英杰，任衛(wèi)合，張 麗

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

牛SCD1基因的生物信息學(xué)分析

周秀敏，李強(qiáng)子，畢英杰，任衛(wèi)合，張 麗?

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

本研究利用生物信息學(xué)方法分析和預(yù)測牛SCD1基因的理化特性和編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明牛SCD1基因編碼359個氨基酸，平均分子質(zhì)量為41.71 kDa；組成蛋白為不穩(wěn)定的水溶性蛋白，三級結(jié)構(gòu)由μ-螺旋和無規(guī)則卷曲組成，并且牛SCD1基因氨基酸序列和山羊親緣關(guān)系最近。牛SCD1基因的生物信息學(xué)分析為進(jìn)一步研究牛SCD1基因的遺傳特性和生理機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

牛；SCD1基因；生物信息學(xué)

硬脂酰輔酶A去飽和酶（Stearoyl-CoA desaturase-1，SCD）是一種合成單不飽和脂肪酸的限速酶，參與細(xì)胞的新陳代謝和前體脂肪細(xì)胞的分化。SCD基因的表達(dá)及其產(chǎn)物的活性決定了脂肪細(xì)胞單不飽和脂肪酸的合成及細(xì)胞膜憐脂和甘油三酯的組成，不僅與人類相關(guān)疾病如肥胖癥、糖尿病及高血壓等密切相關(guān)，也是改善牛奶和牛肉品質(zhì)的主要候選基因[1]。牛SCD1基因位于26號染色體，由6個外顯子和5個內(nèi)含子組成，在脂肪組織和乳腺組織都有表達(dá)[2]。王小龍等[3-4]表明SCD1基因與牛奶中飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸的比例及總不飽和指數(shù)有關(guān)，并且?guī)Щ驅(qū)εＨ橹械娜橹屎腿榈鞍茁视袠O大影響。

為深入探討牛SCD1基因的性質(zhì)和功能，避免人工選育和該基因演化造成的差異，本研究利用生物信息學(xué)方法從分子水平對牛SCD1基因序列結(jié)構(gòu)及相關(guān)生物信息學(xué)特征進(jìn)行預(yù)測和分析，同時構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，為揭示該基因理化性質(zhì)、功能信息、遺傳特性及相關(guān)生理機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 序列來源與方法

1.1 牛SSCCDD 11基因序列來源 從Gene Bank中查找得牛的SCD1基因的全長編碼區(qū)序列（Coding sequenc-es,CDS）（Genebank no.AY241932）。

1.2 方法 對牛SCD1基因CDS編碼產(chǎn)物的氨基酸序列、其蛋白質(zhì)特性及功能結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析與預(yù)測所用各種工具軟件與網(wǎng)址見表1。

表1 牛SCD1基因進(jìn)行生物信息學(xué)的主要軟件Table 1 The main software ofSCD1gene bioinformatics in cattle

2 結(jié)果

2.1 牛SSCCDD 11基因編碼蛋白質(zhì)理化特性預(yù)測與分析

蛋白質(zhì)的基本性質(zhì)包括其相對分子質(zhì)量、氨基酸組成和等電點(diǎn)等，其預(yù)測結(jié)果見表2。牛SCD1基因編碼359個氨基酸，20種氨基酸所占比例如圖1，亮氨酸（Leu）數(shù)目最多，為41個，占整個氨基酸組成的11.4%，半胱氨酸（Cys）目最少，為3個，占0.8%?；蚓幋a產(chǎn)物不穩(wěn)定指數(shù)大于40，表明該基因編碼產(chǎn)物不穩(wěn)定[5]。

表2 牛SCD1基因編碼蛋白質(zhì)理化特性Table2 The encoding a protein physicochemical properties ofSCD1gene in cattle

2.2 牛SSCCDD 11基因編碼蛋白質(zhì)疏水性//親水性預(yù)測和分析 牛SCD1基因編碼氨基酸序列親水性/疏水性預(yù)測結(jié)果如圖2所示，其中第64位蛋氨酸（Met）親水性最強(qiáng)（-2.867）；第225位的丙氨酸（Ala）疏水性最強(qiáng)（+3.200）。整個編碼產(chǎn)物中，親水氨基酸占63.23%，疏水氨基酸占 36.74%，總平均數(shù)為-0.223，表現(xiàn)為親水性，由此可推斷編牛SCD1基因編碼的蛋白質(zhì)是一種可溶性蛋白。

2.3 牛SSCCDD 11基因編碼蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測與分析本研究采用SWISS-MODEL同源建模方法對牛SCD1基因編碼產(chǎn)物進(jìn)行分析，并用PyMOL軟件進(jìn)行編輯（圖3），結(jié)果顯示，牛SCD1主要由α-螺旋、無規(guī)則卷曲-組成。用Came中的ProSa對SCD1氨基酸序列3D模型中總能量進(jìn)行評估[6-7]，確定此模型的立體構(gòu)象合理，符合立體化學(xué)二面角分布和能量的要求。

2.4 牛SSCCDD 11基因編碼蛋白系統(tǒng)發(fā)育分析 利用Mega 6.0軟件對牛、山羊、小家鼠、大白鼠、綠頭鴨、大黃魚及三角帆蚌SCD1基因編碼的氨基酸序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹（圖4）。SCD1基因幾乎在所有的動物中都有表達(dá)，從進(jìn)化樹可看出同為偶蹄目牛和山羊聚為一類，親緣關(guān)系最近，與為軟體動物的三角帆蚌親緣關(guān)系最遠(yuǎn)，嚙齒目中鼠類聚為一類，禽類、魚類以及軟體動物各自聚為一類，這與動物分類學(xué)基本一致。

3 討論

硬脂酰輔酶A去飽和酶I是單不飽和脂肪酸生成過程中的關(guān)鍵酶酶，單不飽和脂肪酸能影響牛肉大理石花紋等級、深加工性能、脂肪柔軟度以及牛肉的風(fēng)味等質(zhì)量[8]。因此對牛SCD1基因的深入研究能對牛的肉質(zhì)性狀提供重要理論基礎(chǔ)。

圖1 牛SCD1基因編碼蛋白氨基酸組成Fig.1 The encoding a protein amino acid composition ofSCD1gene in cattle

圖2 牛SCD1基因編碼蛋白質(zhì)的疏水性預(yù)測結(jié)果Fig.2 The encoding a protein hydrophobic predictions ofSCD1gene in cattle

基因決定生物的性狀，但最終是由蛋白質(zhì)來體現(xiàn)的。目前對SCD基因的生物信息學(xué)分析僅見于羊[9-10]、豬[11]、烏賊[12]和鴨[13]。本研究通過SCD1蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)、疏水性/親水性、蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測牛SCD1蛋白功能。從預(yù)測結(jié)果來看，牛SCD1蛋白是由359個氨基酸折疊而成的不穩(wěn)定親水蛋白，其氨基酸數(shù)目與羊[10]和豬[11]相同，但比烏賊[12]的稍長，而豬[11]和烏賊[12]的SCD蛋白是疏水蛋白這可能是物種差異造成的。有研究表明蛋白質(zhì)半衰期越長則蛋白質(zhì)穩(wěn)定性越高[14]，而牛SCD1編碼蛋白質(zhì)半衰期為30 h，但其不穩(wěn)定系數(shù)值大于40，與豬[11]的SCD蛋白相同，均是不穩(wěn)定蛋白，可能是不同基因發(fā)揮不同生理功能而出現(xiàn)與其的研究結(jié)果相悖。牛SCD1蛋白三級結(jié)構(gòu)主要以α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主，并未發(fā)現(xiàn)豬[11]SCD蛋白所報道的β-疊片。雖然豬和牛同為偶蹄目，但屬不同科，因此出現(xiàn)了該差異。從進(jìn)化樹可看出同為偶蹄目牛和山羊聚為一類，親緣關(guān)系最近，與為軟體動物的三角帆蚌親緣關(guān)系最遠(yuǎn)，嚙齒目中鼠類聚為一類，禽類、魚類以及軟體動物各自聚為一類，這與動物分類學(xué)基本一致。

圖3 牛SCD1基因編碼蛋白質(zhì)三級級結(jié)構(gòu)模型預(yù)測Fig.3 Putative result ofSCD1protein tertiary structure in cattle

圖4 牛SCD1基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸系統(tǒng)進(jìn)化樹（節(jié)點(diǎn)處數(shù)字表示置信度）Fig.4 Phylogenetic tree with amino acid sequences of SCD1 gene（bootstrap values are in dicated at nodes）

本研究系統(tǒng)地對牛SCD1基因的理化性質(zhì)和蛋白的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行了預(yù)測，在此基礎(chǔ)上將進(jìn)一步對SCD1基因的表達(dá)差異進(jìn)行探究，以期能更好地為牛的肉質(zhì)性狀提供理論基礎(chǔ)，更好地將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中去。

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Bioinformatics Analysis of CattleSCD1Gene

Zhou Xiumin,Li Qiangzi,Bi Yingjie,Ren Weihe,Zhang Li*
（College of Life Science and Engineering,Northwest University for Nationalities,Gansu Lanzhou 730030）

This study analyzed the physical and chemical characteristics and the prediction cattleSCD1gene structure and function of the encoded product between homologous bioinformatics methods.The results showed thatSCD1gene encoded 359 amino acids,and had a predicted molecular weight of 41.71 kDa,unstable protein composition soluble proteins,the tertiary structure of the alpha helix,and dandom coil.The amino acid sequence of cattle SCD1 gene was closely related to goat.The result lay a foundation for further studying on the genetic characteristics and physiological mechanisms of SCD1 gene.

Cattle;SCD1 Gene;Bioinformatic

S823

B

1672-9692(2016)12-0030-05

2016-10-15

周秀敏（1996-），女，江蘇鹽城人，在讀本科生，研究方向為動物科學(xué)。

張麗（1980-），女，寧夏石嘴山人，博士，主要從事動物遺傳育種研究。

西北民族大學(xué)引進(jìn)人才科研項目（xbmuyjrc201316），西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院眾創(chuàng)空間扶持項目。