綿羊HMGA1基因的生物信息學(xué)分析

靳皓宇 武順 權(quán)潔 韓真真 張小雪

摘要：高遷移率族蛋白A1基因（high mobility group protein A1，HMGA1）是一類對(duì)DNA轉(zhuǎn)錄起調(diào)控作用的基因，廣泛存在于多種動(dòng)物體內(nèi)。為探究HMGA1基因在綿羊體內(nèi)的功能，對(duì)該基因及其編碼產(chǎn)物進(jìn)行了生物信息學(xué)分析。結(jié)果顯示，綿羊HMGA1基因編碼152個(gè)氨基酸殘基，其編碼的蛋白質(zhì)分子式為C443H759N151O151S1，分子質(zhì)量為10.648 35 kDa，等電點(diǎn)pI為10.31。綿羊HMGA1蛋白為不穩(wěn)定蛋白、親水性蛋白、非分泌蛋白且無信號(hào)肽序列和跨膜結(jié)構(gòu);亞細(xì)胞定位主要存在于細(xì)胞核（95.7%）。綿羊與牛的HMGA1蛋白相似度為100%。其二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)主要以無規(guī)卷曲組成。

關(guān)鍵詞：綿羊;HMGA1基因;生物信息學(xué)分析

中圖分類號(hào)：S826;Q57? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-1463（2022）02-0078-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.02.019

Bioinformatics Analysis of Sheep HMGA1 Gene

JIN Haoyu，WU Shun， QUAN Jie， HAN Zhenzhen， ZHANG Xiaoxue

（College of Animal Science and Technology of Gansu Agriculture University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：High mobility group protein A1（HMGA1） gene is a kind of gene that regulates DNA transcription and exists widely in many kinds of animals. In order to explore the function of HMGA1? gene in sheep， bioinformatics analysis of HMGA1 gene and its encoding product was conducted in this study. The results showed that sheep HMGA1 gene encoded 152 amino acid residues， and its protein molecular formula was C443H759N151O151S1， molecular weight was 10.64 835 Kda， isoelectric point pI was 10.31. Sheep HMGA1 protein was an unstable protein， hydrophilic protein， non-secretory protein and has no signal peptide sequence and transmembrane structure. The localization of HMGA1 at a subcellular level was mainly existed in the nucleus （95.7%）. The HMGA1 protein similarity between sheep and cattle was 100%. Its secondary and tertiary structures were mainly composed of random crimp.

Key words：Sheep;HMGA1 gene;Bioinformatics analysis

高遷移率族蛋白（high mobility group-protein，HMG）是Goodwin等[1 ]在1973年于牛胸腺細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)的一類染色質(zhì)相關(guān)非組蛋白。Bianchi等[2 ]將HMG蛋白分為3類： 高遷移率族蛋白B（high mobility group-proteinB，HMGB）、高遷移率族蛋白A（high mobility group-proteinA， HMGA）和高遷移率族蛋白H（high mobility group-proteinH，HMGH）。而HMGA又可分為兩大類：即高遷移率族蛋白A1（high mobility group-proteinA1，HMGA1）和高遷移率族蛋白A2（high mobility group-proteinA2，HMGA2），分別由HMGA1基因、HMGA2基因編碼。由于HMGA1基因轉(zhuǎn)錄后的可變剪接，HMGA1又分為長(zhǎng)度有所不同的高遷移率族蛋白A1a（high mobility group-proteinA1a，HMGA1a）、高遷移率族蛋白A1b（high mobility group-proteinA1b，HMGA1b）以及高遷移率族蛋白A1c（high mobility group-proteinA1c，HMGA1c）3種蛋白[3 ]。有關(guān)哺乳動(dòng)物HMGA1基因在癌癥細(xì)胞增殖和分化方面的研究較多，并且可能成為檢測(cè)腫瘤標(biāo)志物以及預(yù)測(cè)腫瘤預(yù)后的良好指標(biāo)，針對(duì)HMGA1的治療亦可能成為治療腫瘤的新途徑[4 ]。小鼠HMGA1基因?qū)Π咨竞妥厣镜纳善鹬匾饔肹5 ]，另有研究報(bào)道稱豬HMGA1基因和黑皮質(zhì)素受體4（melanocortin receptor 4，MC4R）基因的SNP互作與其生長(zhǎng)、瘦肉量以及脂肪含量均有一定關(guān)系[6 - 8 ]。有研究表明，豬HMGA1基因能提高軟骨細(xì)胞增殖活性[9 ]，并通過調(diào)控透明軟骨細(xì)胞增殖和分化來影響軟骨組織的修復(fù)[10 ]，從而影響骨骼的結(jié)實(shí)度。目前針對(duì)HMGA1基因及其編碼產(chǎn)物的研究大多集中于人類和豬，而針對(duì)綿羊的研究較少。我們通過調(diào)取生物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中綿羊HMGA1的序列，利用生物信息學(xué)方法對(duì)綿羊HMGA1基因及其編碼產(chǎn)物的序列、理化性質(zhì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能等進(jìn)行了研究，以期為進(jìn)一步研究該基因的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?序列來源

序列數(shù)據(jù)來源于NCBI網(wǎng)站GeneBank數(shù)據(jù)庫(kù)，包括綿羊（XM_027958418.2、XP_027814219.1）、人（NM_001319077.2、NP_001306006.1）、家鼠（NM_ 001025427.3、NP_001020598.1）、雞（NM_204369.1、NP_989700.1）、牛（NM_001076523.1、NP_0010699

91.1）、海龜（XM_037885374.1、XP_037741302.1）、黑猩猩（NM_001246496.1、NP_001233425.1）、獼猴（NM_001266352.1、NP_001253281.1）、豬（NM_ 001185154.1、NP_001172083.1）等9個(gè)物種的mRNA序列和氨基酸序列。括號(hào)內(nèi)為GeneBank登錄號(hào)。

1.2? ?方法

綿羊HMGA1基因開放閱讀框（Open reading frame，ORF）分析采用NCBI的ORF Finder程序;理化性質(zhì)分析采用Bioedit及ExPASy分析軟件;綿羊HMGA1蛋白亞細(xì)胞定位采用PSORTⅡ軟件，蛋白潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)預(yù)測(cè)采用SignalP3.0軟件，蛋白跨膜螺旋區(qū)域預(yù)測(cè)采用TMHMM程序，蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析采用Smart軟件，蛋白親疏水性分析采用Prot Scale軟件，二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)采用Jpred軟件，蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)采用Swiss-model軟件。多序列比對(duì)及同源性分析采用DNAMAN軟件。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?綿羊HMGA1的理化性質(zhì)分析

蛋白質(zhì)的基本性質(zhì)包括相對(duì)分子質(zhì)量、氨基酸組成、等電點(diǎn)基因編碼產(chǎn)物半衰期和不穩(wěn)定指數(shù)等[11 ]。利用Prot Param在線工具和Bioedit軟件對(duì)綿羊HMGA1基因編碼產(chǎn)物的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，其編碼產(chǎn)物的分子式為C443H759N151O151S1，共含有1 505個(gè)原子。該編碼產(chǎn)物氨基酸殘基數(shù)為152個(gè)，分子質(zhì)量為10.648 35 kDa，理論等電點(diǎn)pI為10.31，提示綿羊HMGA1蛋白呈堿性。其氨基酸組成如圖1所示，其中含量最多的是Lys（賴氨酸），所占比例為16.67%。綿羊HMGA1基因編碼產(chǎn)物中不含Cys（半胱氨酸）、Phe（苯丙氨酸）、His（組氨酸）、Trp（色氨酸）、Tyr（酪氨酸），負(fù)電荷殘基總數(shù)（Asp + Glu）為15，正電荷殘基總數(shù)（Arg + Lys）為27。該編碼產(chǎn)物在哺乳動(dòng)物體外的半衰期為30 h，不穩(wěn)定指數(shù)為81.81，不穩(wěn)定指數(shù)為81.81 > 40，可確定該蛋白屬于不穩(wěn)定蛋白。

2.2? ?綿羊HMGA1基因開放閱讀框分析

開放閱讀框（Open Reading Frame，ORF）從起始密碼子開始，是DNA序列中具有編碼蛋白質(zhì)潛能的序列，結(jié)束于終止密碼子連續(xù)的堿基序列[12 ]。由ORF分析可知，該序列最大的開放閱讀框長(zhǎng)度為459 bp（起始密碼子位于101 bp處，終止密碼子位于559 bp處），編碼了152個(gè)氨基酸殘基（圖2）。

2.3? ?綿羊HMGA1蛋白亞細(xì)胞定位

從亞細(xì)胞定位結(jié)果可知，綿羊HMGA1蛋白分布于細(xì)胞核的可能性為95.7%，分布于細(xì)胞質(zhì)的可能性為4.3%。由此推斷，綿羊HMGA1基因編碼產(chǎn)物主要在細(xì)胞核中發(fā)揮生物學(xué)作用。

2.4? ?不同物種HMGA1蛋白的同源性分析

將綿羊HMGA1蛋白序列與另外一些已發(fā)表的動(dòng)物如人、綿羊、家鼠、雞、牛、海龜、黑猩猩、獼猴和豬9種動(dòng)物的蛋白序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，采用DNAMAN對(duì)9個(gè)物種的HMGA1蛋白的氨基酸序列進(jìn)行多序列比對(duì)，結(jié)果如圖3所示。可以看出，HMGA1基因在這9個(gè)物種中均有表達(dá)。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果（圖4）表明，人、黑猩猩、獼猴的HMGA1氨基酸序列同源性為100%，綿羊與牛同源性高達(dá)100%，說明人、黑猩猩、獼猴的親緣關(guān)系較近，綿羊和牛的親緣關(guān)系比較近，綿羊與雞和海龜?shù)耐葱暂^低。

2.5? ?綿羊HMGA1蛋白潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)預(yù)測(cè)

信號(hào)肽序列是存在于分泌蛋白基因編碼序列中、在起始密碼子之后的1段富含疏水氨基酸多肽的序列。蛋白質(zhì)的合成在核糖體上進(jìn)行，信號(hào)肽是蛋白質(zhì)的一個(gè)片段，引導(dǎo)核糖體并定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的一個(gè)通道上，使核糖體附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，并將不斷伸長(zhǎng)的蛋白質(zhì)鏈穿透通過通道，隨后信號(hào)肽被切割下來，合成完成的蛋白質(zhì)被釋放進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，最后被轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外[13 ]。通過檢測(cè)綿羊HMGA1蛋白潛在信號(hào)肽的存在情況可以得知該基因編的產(chǎn)物是否是分泌蛋白和跨膜蛋白以及跨膜蛋白的基本信息。從圖5可以看出，綿羊HMGA1基因編碼產(chǎn)物的C值為0.039、Y值為0.020、S值為0.064。因此推斷HMGA1基因的編碼產(chǎn)物不存在信號(hào)肽，且未發(fā)現(xiàn)跨膜區(qū)，所以該蛋白既為非分泌性蛋白，也為非跨膜蛋白，主要位于細(xì)胞核內(nèi)。

2.6? ?綿羊HMGA1蛋白跨膜螺旋結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

采用TMHMM在線軟件對(duì)于綿羊HMGA1蛋白跨膜螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，綿羊HMGA1基因編碼的蛋白質(zhì)是非跨膜蛋白，即無跨膜結(jié)構(gòu)（圖6）。

2.7? ?綿羊HMGA1蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析

由綿羊HMGA1蛋白潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)預(yù)測(cè)已知綿羊HMGA1基因編碼的蛋白是非跨膜蛋白，進(jìn)而通過Smart軟件分析，綿羊HMGA1蛋白沒有跨膜結(jié)構(gòu)。但是存在3個(gè)低復(fù)雜性區(qū)域，分別是22～37、43～57、60～95（圖7;表1）。

2.8? ?綿羊HMGA1蛋白親疏水性分析

利用Prot Scale對(duì)綿羊HMGA1蛋白親疏水性分析，結(jié)果表明，該基因編碼蛋白疏水性的值均小于0，最小值為-3.200，總平均親水性系數(shù)約為-2.061，由此得出該基因編碼的蛋白屬于親水蛋白（圖8）。

2.9? ?綿羊HMGA1蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)

蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)決定了它行使的生物功能，其二級(jí)結(jié)構(gòu)是指在它的多肽鏈中具有規(guī)則重復(fù)的構(gòu)象[14 ]。二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structure）是蛋白質(zhì)第一個(gè)水平的折疊，即部分蛋白質(zhì)鏈折疊形成一些通用結(jié)構(gòu)，這些通用結(jié)構(gòu)在所有蛋白質(zhì)中都能找到[15 ]。通過Jpred軟件分析可知（圖9），綿羊HMGA1蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)全部為無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。

2.10? ?綿羊HMGA1蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與分析

三級(jí)結(jié)構(gòu)（ tertiary structure）是指蛋白質(zhì)在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步折疊，通過將二級(jí)結(jié)構(gòu)元素組裝在一起形成每個(gè)蛋白質(zhì)特有的三維構(gòu)象[15 - 16 ]。由圖10可知，綿羊HMGA1基因編碼蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要由無規(guī)卷曲折疊纏繞形成。

3? ?小結(jié)與討論

綿羊HMGA1基因的最長(zhǎng)ORF長(zhǎng)度為459 bp，編碼152個(gè)氨基酸殘基;賴氨酸所占比例最多，為16.67%，分子質(zhì)量為10.648 35 kDa，理論等電點(diǎn)（pI）為10.31。HMGA1基因編碼的產(chǎn)物為不穩(wěn)定性蛋白。其亞細(xì)胞定位的結(jié)果顯示在細(xì)胞核的可能性最大，為95.7%。HMGA1在多種物種中氨基酸序列高度相似，綿羊與牛在系統(tǒng)發(fā)育樹中距離最近。HMGA1基因的編碼產(chǎn)物中不存在信號(hào)肽，為非分泌性蛋白且沒有跨膜區(qū)，故該蛋白是非跨膜蛋白。HMGA1編碼的蛋白為親水蛋白，富含親水氨基酸。綿羊HMGA1基因編碼產(chǎn)物的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要以無規(guī)卷曲組成，三級(jí)結(jié)構(gòu)主要由無規(guī)卷曲折疊纏繞形成。

在對(duì)豬全基因組序列數(shù)據(jù)對(duì)體尺性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究中發(fā)現(xiàn)，HMGA1基因是重要影響因子[17 ]。蒲蕾等[18 ]的研究表明，大白豬和民豬HMGA1基因的g.543 T > C、g.1356 C > T 2個(gè)突變位點(diǎn)與豬的生長(zhǎng)、飼料利用性狀相關(guān)。對(duì)豬群HMGA1基因突變位點(diǎn)檢測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，T等位基因型可以增加個(gè)體的體長(zhǎng)[19 ]。在HMGA1基因與湖羊尾脂肪沉積的相關(guān)性分析中，得出了HMGA1基因可作為湖羊尾脂重量標(biāo)記輔助選擇的遺傳標(biāo)記的結(jié)論[20 ]。這些研究都表明，HMGA1基因在提高生長(zhǎng)性狀上具有較大潛力，因此HMGA1基因可作為選種依據(jù)。此外，HMGA1基因還可作為RAD51的新型調(diào)節(jié)器，在膽管癌中具有抗輻射作用[21 ]，也可作為一種潛在的胃癌治療預(yù)后生物標(biāo)志物[22 ]。

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