牦牛IL-4基因的生物信息學分析

趙曉萌，袁肇方，孫雨琪，楊 琨,2*

1.西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730100；2.西北民族大學生物醫(yī)學研究中心甘肅省動物細胞技術創(chuàng)新中心，甘肅 蘭州 730030

牦牛是主要生活在喜馬拉雅山脈和青藏高原的哺乳動物，其生理機能和形態(tài)結(jié)構(gòu)與當?shù)丨h(huán)境形成了良好的適應性，是研究低氧適應性的良好材料[1]。

白介素細胞-4（白介素-4, Interleukin-4, IL-4）為趨化因子家族的一員，是由活化的T淋巴細胞、Th2和肥大細胞等產(chǎn)生，是II型輔助T細胞產(chǎn)生的細胞因子[2]。IL4能夠與IL-4受體相結(jié)合來激活免疫細胞，使T細胞和B細胞進行增殖，從而在機體的炎癥反應中發(fā)揮作用。

鑒于白介素-4基因的重要生物學功能,且目前還尚未見到對牦牛白介素-4基因的生物信息學報道。本研究全面深入地對牦牛IL-4的生物信息進行分析,旨在為研究IL-4基因的高原低氧適應性生物學功能提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 序列來源

在NCBI數(shù)據(jù)庫找到10個物種與牦牛IL-4基因（登錄號：XM_005888362.1），如下表1。

表1 不同物種IL-4基因的序列來源

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

使用ProtParam、ProtScale和SignalP-4.1對牦牛IL-4基因的理化性質(zhì)、疏水性與親水性、信號肽進行分析。然后通過Netphos3.1Server、Yloc、TMpred軟件對IL-4基因的磷酸化位點、亞細胞結(jié)構(gòu)定位和跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)域進行預測，通過Sopma與SWISS MODERL軟件分別預測IL-4基因的二級和三級結(jié)構(gòu)。使用NCBI-BLAST、KEGG和STRING分析牦牛IL-4的同源性相似度、信號通路和蛋白預測互作網(wǎng)絡。

2 結(jié)果與分析

2.1 牦牛IL-4基因的開放閱讀框分析

IL-4基因的總?cè)L為571 bp，其中CDS區(qū)的范圍為67～474 bp。結(jié)果分析表明IL-4基因包含ORF1-ORF2兩個子ORF，它們的核苷酸起止位點及片段大小均不同，大小分別為135 bp和277 bp。

2.2 牦牛IL-4基因的理化性質(zhì)分析

牦牛IL-4基因共編碼135個氨基酸，其中Leu占14.1%，Thr占11.1%。蛋 白 質(zhì) 分 子 量為15 118.84，理論等電點為9.20，分子式為C661H1107N185O195S11，共2 159個原子，脂肪指數(shù)為99.63，負電荷殘基總數(shù)有12個,正電荷殘基總數(shù)有20個。不穩(wěn)定系數(shù)為46.03,屬不穩(wěn)定蛋白。氨基酸總平均親水性為-0.025，是親水性蛋白。

2.3 牦牛IL-4基因的信號肽及跨膜區(qū)域結(jié)構(gòu)預測

牦牛IL-4蛋白存在信號肽，整個序列都存在于細胞膜內(nèi)，為一種跨膜蛋白，此外牦牛IL-4蛋白還存在一個強的跨膜螺旋區(qū)間，具體為1～22。

2.4 牦牛IL-4基因編碼蛋白磷酸化位點分析

牦牛IL-4蛋白共有67個磷酸化位，其中含44個Ser，19個Thr，7個Tyr。

2.5 牦牛IL-4蛋白二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)的分析預測

本次預測發(fā)現(xiàn)牦牛IL-4蛋白α-螺旋為60.74%，β–轉(zhuǎn)角為2.22%，隨機卷曲為31.85%、延伸鏈為5.19%，可推測出在牦牛IL-4中二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋和隨機卷曲為主，三級結(jié)構(gòu)以α-螺旋結(jié)構(gòu)單元為主。

2.6 牦牛IL-4基因同源性分析

牦牛IL-4基因與黃牛、綿羊、山羊、鼠、長頸鹿、獼猴、人、白鯨、寬尾海豚的同源相似性分別為99.47%、96.81%、94.76%、80.48%、93.38%、76.50%、82.56%、89.14%和88.60%，與黃牛的同源性最近，與獼猴最遠。

2.7 IL-4信號通路和蛋白互作通路分析

IL-4主要參與12種信號通路，網(wǎng)絡中蛋白彼此之間的相關性緊密，且多數(shù)蛋白質(zhì)以IL-4作為媒介對彼此進行相互作用。

3 討論

IL-4是來源于T細胞的一種細胞因子,其受體對IL4的信號轉(zhuǎn)導至關重要，在IL-4R蛋白中酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化能夠促進IL-4發(fā)揮作用，如IL-4能激活STAT6酪氨酸發(fā)生磷酸化,與特異性DNA的結(jié)合位點相結(jié)合, 從而使IL-4發(fā)生轉(zhuǎn)錄。此外，通過蛋白互作分析顯示IL-4在信號通路中起到關鍵性作用，且IL-4與IL2GR、IL13RA1、JAK等蛋白關系密切，通過彼此之間的相互作用來參與物質(zhì)信號傳遞、能量代謝及細胞生命周期調(diào)控等各個環(huán)節(jié)。據(jù)研究表明IL-4通常以JAK-STAT，Ras-ERK，PI3K-pKR這3種信號傳遞發(fā)揮其生物學效應[3]，且TCR對突變的IL-4Ra的功能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，能夠誘導出IL-4依賴的STAT6的活化。IL-4還能調(diào)節(jié)機體內(nèi)的免疫應答，參與體內(nèi)寄生蟲的清除與黏液分泌，激活嗜酸性粒細胞或其他細胞發(fā)生超敏反應，介導腫瘤的生長，影響腫瘤周圍炎性細胞分化等功能。

不同物種之間IL-4基因編碼的氨基酸序列高度相似，牦牛IL-4基因與黃牛的同源性最近,與獼猴的親緣關系最遠,表明牦牛和黃牛的IL-4蛋白可能具有相似的生物學功能。

4 結(jié)論

牦牛IL-4基因長度為571 bp，共編碼135個氨基酸，其基因編碼的產(chǎn)物呈親水性，存在信號肽與跨膜結(jié)構(gòu)域，二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋和隨機卷曲為主，三級結(jié)構(gòu)以α-螺旋結(jié)構(gòu)單元為主，與黃牛的親源性最近。