貴州黑山羊BMP15基因多態(tài)性及生物信息學(xué)分析

李平 李瀟蒙 龍清孟

關(guān)鍵詞：貴州黑山羊;BMP15;SNPs;生物信息學(xué)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白15（BMP15）又稱生長分化因子9B，不僅能夠促進(jìn)顆粒細(xì)胞分裂、分化，而且能夠抑制顆粒細(xì)胞中FSHR基因的表達(dá)[1]，同時(shí)能夠促進(jìn)卵泡發(fā)育[6-7]。BMP15基因由1個(gè)內(nèi)含子與2個(gè)外顯子構(gòu)成，2個(gè)外顯子被內(nèi)含子隔開，外顯子全長1 176 bp，共編碼393個(gè)氨基酸殘基的前蛋白。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，BMP15基因可能與高繁殖性狀有關(guān)，研究人員已在國內(nèi)優(yōu)良地方品種的綿羊上對(duì)BMP15基因展開相關(guān)研究，以期為構(gòu)建高繁殖力群體奠定基礎(chǔ)。目前，已在少數(shù)綿羊品種上發(fā)現(xiàn)BMP15基因與繁殖性狀有關(guān)聯(lián)，在小尾寒羊上發(fā)現(xiàn)BMP15基因B2處突變對(duì)高繁殖性狀影響作用十分明顯[4-5]。程俐芬等人研究發(fā)現(xiàn)BMP15基因在第一外顯子中雖存在突變位點(diǎn)，但對(duì)綿羊繁殖性狀并沒有顯著影響[3]。吳翠玲等研究6個(gè)綿羊群體發(fā)現(xiàn)，BMP15基因外顯子1上在58～60 bp處有3個(gè)堿基（CTT）缺失[1]。本研究通過PCR產(chǎn)物直接測序技術(shù)并結(jié)合生物軟件對(duì)貴州黑山羊BMP15基因進(jìn)行多態(tài)性研究與生物信息學(xué)分析，預(yù)測mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)，以期為今后研究貴州黑山羊繁殖性狀提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 血液DNA提取

102只貴州黑山羊血液樣本，來自冊(cè)亨縣冗渡鎮(zhèn)貴州領(lǐng)頭羊山地草牧業(yè)科技有限公司。血液DNA提取采用天根血液基因組DNA提取試劑盒，提取后用1%瓊脂糖凝膠電泳對(duì)DNA進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)條帶清晰明亮、無RNA和蛋白質(zhì)等污染。通過微量紫外分光光度計(jì)檢測DNA質(zhì)量D260 nm/D280 nm均在1.8～2.0之間，說明DNA提取效果好，純度高。

1.2 引物設(shè)計(jì)與合成

根據(jù)NCBI數(shù)據(jù)庫中綿羊BMP15基因序列（登錄號(hào)：NM_001114767.1）利用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)2對(duì)引物，其目的片段覆蓋全部外顯子區(qū)域，引物序列見表1。引物合成由上海英濰捷基貿(mào)易有限公司完成。

1.3 PCR擴(kuò)增

貴州黑山羊基因組DNA采用天根血液基因組DNA提取試劑盒提取，以提取的DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系為20.0 μL：PCR Mixture 10.0 μL，上、下游引物各1.5 μL，DNA2.0 μL，蒸餾水5.0 μL。PCR反應(yīng)條件為：94 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性30 s，退火（退火溫度見表1）30 s，72 ℃延伸1 min，35 個(gè)循環(huán);72 ℃延伸5 min;4 ℃保存。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用1%;瓊脂糖凝膠電泳檢測。

1.4 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物測序和基因序列分析

PCR擴(kuò)增產(chǎn)物，送往上海英濰捷基貿(mào)易有限公司進(jìn)行雙向測序。測序結(jié)果利用SeqMan軟件進(jìn)行序列分析，采用MWSnap測量SNPs等位基因的峰高值，根據(jù)Ai=Bi/（Ba+Bb），i=a，b公式估算各等位基因頻率。利用生物信息學(xué)軟件進(jìn)行mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測，蛋白質(zhì)二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNA檢測結(jié)果

采用1%的瓊脂糖凝膠電泳對(duì)血液DNA進(jìn)行檢測，電泳結(jié)果顯示基因組條帶整齊、清晰明亮、無RNA和蛋白質(zhì)等污染，并利用紫外分光光度計(jì)測量D260 nm/280 nm均在1.8～2.0范圍內(nèi)。檢測DNA結(jié)果表明提取的DNA可用于PCR擴(kuò)增。

2.2 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物檢測結(jié)果

以5 μL擴(kuò)增產(chǎn)物為樣本用1%的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測，以1 000 bp DNA Ladder Maker作為分子量標(biāo)記對(duì)照。檢測結(jié)果見圖1，PCR擴(kuò)增產(chǎn)物條帶整齊、清晰明亮、檢測片段長度與目的片段一致，其擴(kuò)增目的片段長度分別為632 bp和920 bp，表明2對(duì)引物的特異性較好。

2.3 擴(kuò)增基因的測序

測序結(jié)果利用SeqMan軟件查看，找到1個(gè)SNP位點(diǎn)，由圖2可知，在第二外顯子6 260 bp處發(fā)生C→G突變，exon2-C 6 260 bp，利用DNAStar中的EditSeq軟件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，BMP15基因編碼的蛋白質(zhì)突變前后發(fā)生改變，由Gln突變?yōu)镚lu，第二外顯子上的突變?yōu)殄e(cuò)義突變。

2.4 SNPs等位基因頻率估算

BMP15基因SNPs等位基因的峰高值利用MWSnap軟件進(jìn)行測量，將其測量值代入公式，利用公式估算出突變前后等位基因頻率，突變前為0.485，突變后為0.515，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示突變前后有差異。

2.5 BMP15基因mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

利用EditSeq軟件進(jìn)行mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，BMP15基因mRNA的序列在突變前后翻譯的氨基酸序列不同，使得mRNA結(jié)構(gòu)改變。利用http：//rna.tbi.univie.ac.at-bin/RNAfold.cgi軟件進(jìn)行mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測，發(fā)現(xiàn)其突變前后的自由能均為-1 201.75 kJ/mol，突變前后具體的二級(jí)結(jié)構(gòu)見圖3。

2.6 BMP15的蛋白質(zhì)理化特性分析

依照BMP15基因所編碼的氨基酸序列，通過http：//us.expasy.org/tools/protparam.html在線進(jìn)行蛋白質(zhì)理化特性分析。由表3可知，BMP15基因分子式突變前為C1828H2779N515O494S14，突變后為C1828H2778N514O495S14，在酵母菌中的半衰期突變前后均大于3 min，在人體外紅細(xì)胞中半衰期突變前后均大于2.8 h，該蛋白屬于不穩(wěn)定性蛋白。利用Antheprot 63分析軟件對(duì)BMP15蛋白的親水性和易溶性進(jìn)行分析，由圖4、圖5可知，BMP15蛋白的親水指數(shù)范圍為-1.91～2.72;易溶性較強(qiáng)，皆為正數(shù)，最大易溶性為3.97。綜上分析，BMP15蛋白整體上表現(xiàn)為親水性。利用在線跨膜蛋白數(shù)據(jù)庫對(duì)BMP15的跨膜區(qū)域進(jìn)行分析，由圖6可知，實(shí)線表示跨膜方向由膜內(nèi)向膜外，虛線表示跨膜方向膜外向膜內(nèi)，2種跨膜方向皆是由正數(shù)到負(fù)數(shù)再到正數(shù)的順序，此蛋白具有跨膜結(jié)構(gòu)。

2.7 BMP15蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

https：//npsa-pr-abi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl？page=npsa_Sopma.html網(wǎng)頁在線進(jìn)行蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測;結(jié)果顯示，α-螺旋（Alpha helix）、β-轉(zhuǎn)角（Beta turn）、擴(kuò)展鏈、 無規(guī)卷曲在突變位點(diǎn)前后均有改變（表4）。利用Protean軟件對(duì)BMP15蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測（圖7）。

2.8 BMP15蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)分析

http：//www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi？id=index網(wǎng)頁在線進(jìn)行蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測，分析顯示突變前和突變后的變化具體結(jié)構(gòu)，見圖8。

3 討論

近年，研究人員不斷地挖掘BMP15基因突變位點(diǎn)[8-9]，并且有研究發(fā)現(xiàn)BMP15基因是控制綿羊高繁殖性狀的主效基因之一[10-11]，目前已在Inverdale綿羊、Hanna綿羊和Lacaune綿羊等國外品種中發(fā)現(xiàn)BMP15基因與產(chǎn)羔性狀相關(guān)的多個(gè)不同突變位點(diǎn)[15]。田志龍等人在綿羊上對(duì)BMP15基因進(jìn)行多態(tài)性研究，發(fā)現(xiàn)g.50971423T > C位點(diǎn)處存在3種基因型，分別是TT、TC和CC，在單羔和多羔品種間其基因型頻率和等位基因頻率均差異顯著（P<0.05）[12]。胡珊等對(duì)山羊BMP15基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)山羊BMP15基因編碼區(qū)長 1 185 bp，編碼394個(gè)氨基酸，BMP15蛋白是一個(gè)具有親水性的不穩(wěn)定的堿性蛋白[2]。何遠(yuǎn)清等在6個(gè)山羊品種中找到了B4突變[13]，林尖兵等也在貴州白山羊中找到了B4突變[14]。

本研究發(fā)現(xiàn)貴州黑山羊BMP15基因在第二外顯子6 260 bp處發(fā)生C→G突變。朱韶華等研究發(fā)現(xiàn)BMP15第二外顯子第755位點(diǎn)發(fā)生的T→C突變（AC型）對(duì)蒙古羊1胎產(chǎn)雙羔影響十分顯著[16]。通過生物信息學(xué)分析，結(jié)果顯示，BMP15基因突變前后所編碼的氨基酸序列發(fā)生改變，此突變?yōu)殄e(cuò)義突

變;BMP15蛋白為具有跨膜結(jié)構(gòu)的親水性不穩(wěn)定性蛋白。胡珊等研究發(fā)現(xiàn)，BMP15蛋白是一個(gè)不穩(wěn)定的堿性蛋白[2]。本研究在BMP15基因上也有同樣的發(fā)現(xiàn)。有研究表示，BMP15第二外顯子的突變可能與動(dòng)物繁殖性狀相關(guān)，本研究在第二外顯子上找到突變位點(diǎn)，后續(xù)將結(jié)合第二外顯子突變與繁殖性狀作進(jìn)一步的研究，以期為今后與性狀相關(guān)聯(lián)研究提供理論依據(jù)。

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