牦牛CAPN3基因的克隆及組織表達特異性

王英杰閻萍潘和平吳曉云李明霞

（1.西北民族大學生命科學與工程學院，蘭州 730030；2.中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所 甘肅省牦牛繁育工程重點實驗室，蘭州 730050）

牦牛CAPN3基因的克隆及組織表達特異性

王英杰1，2閻萍1，2潘和平2吳曉云1，2李明霞2

（1.西北民族大學生命科學與工程學院，蘭州 730030；2.中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所 甘肅省牦牛繁育工程重點實驗室，蘭州 730050）

以牦牛背最長肌為材料，采用RT-PCR法克隆了CAPN3基因的CDs區，并對其進行生物信息學分析。結果表明，牦牛CAPN3基因的CDs區長2 469 bp，編碼822個氨基酸殘基；生物信息學分析顯示，其編碼的蛋白屬于非分泌表面蛋白，含有35個磷酸化位點，主要在細胞質和細胞核中發揮生物學作用。二級結構主要由α-螺旋、無規則卷曲、伸展鏈和β-轉角組成，具有CysPc、calpain-Ⅲ和EFh家族蛋白結構域，無信號肽。牦牛CAPN3基因與黃牛、綿羊和豬在系統發育樹上的距離最近。運用實時熒光定量分析CAPN3在不同組織中的表達量，CAPN3基因在牦牛的7種組織中均有表達，但在背最長肌、胰臟中的表達量較高。

牦牛；CAPN3基因；克隆；生物信息學分析；表達模式

牦牛是分布于海拔2 000 m以上，以我國青藏高原為中心及其毗鄰的高山亞高山地區的牛種之一，為牧民提供奶、肉、毛、役力、染料等生產和生活必需品［1］。牦牛肉屬于半野生天然綠色食品，富含蛋白質、氨基酸、鐵元素以及胡蘿卜素、鈣等微量元素，脂肪含量低，但牦牛肉的嫩度制約著其市場的接受度，因此，影響牦牛肉嫩度的候選基因成為當今研究的熱點之一。

鈣蛋白酶是一種存在于細胞內的非溶酶體性的限制性蛋白水解酶，與肉的嫩度和風味等食用品質密切相關。鈣蛋白酶系統基因是理想的肉質嫩度分子標記［2］。CAPN3基因作為影響肉嫩度的候選基因，其分子生物學特性和生理調控功能是近年來研究的熱點之一。CAPN3（Calpain3）是最典型的組織特異性鈣蛋白酶，其在骨骼肌細胞中呈現高度表達特異性［3］。Lian等［4］的研究揭示了CAPN3的mRNA水平和蛋白質水平與肉的嫩度之間存在顯著相關性。鴨骨骼肌發育過程中，CAPN3基因與肌纖維類型和肌纖維的生長發育密切相關。CAPN3基因的變異影響肉的品質［5］。侯冠彧等［6］對CAPN3基因的5'區域進行SNP檢測和基因型分析，初步斷定該基因本座位有影響肉牛生長及牛肉嫩度的傾向。Kimberly等［7］發現CAPN3的活性影響鼠肌肉的營養。延邊黃牛CAPN3在位點5 556發生G→A突變，導致該位點的脂肪酸和氨基酸含量在不同基因型之間存在差異［8］。CAPN3的活性和表達水平影響肉質嫩度，并且與肢帶型肌營養不良密切相關，存在著很強的遺傳效應［9-11］。CAPN3在組織中的表達具有特異性，豬CAPN3和CAST基因在背最長肌中有較高的表達量［20］。姚慧等［13］分析了CAPN1和CAST基因在牦牛不同組織中的表達差異。CAPN3基因在牦牛不同組織中表達情況尚未見報道。

本實驗克隆CAPN3基因的CDs區，并進行生物信息學分析，以期為深入研究牦牛CAPN3基因的定位與表達調控奠定基礎。同時采用熒光定量PCR技術，檢測CAPN3基因在牦牛不同組織的表達量，為進一步揭示CAPN3基因的分子生物學功能提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 組織樣、細菌菌株和載體 本實驗選擇3頭成年青海省大通牦牛，屠宰后分別采集心臟、肝臟、脾臟、肺臟、腎臟、胰臟、背最長肌組織，放入液氮保存。

1.1.2 主要試劑 E.coli DH5α購于寶生物公司；pGEM-T easy克隆載體購于Promega公司。TaKaRa反轉錄試劑盒、Trizol試劑、LA Taq DNA聚合酶購自寶生物工程有限公司，DNA Marker DL2000、DNA純化回收試劑盒、高純度質粒小量提取試劑盒、SYBR Green熒光定量試劑盒購于TIANGEN公司。

1.1.3 引物的設計與合成 根據GenBank中普通牛CAPN3基因cDNA序列（登錄號：149197.1）應用Primer5軟件設計引物（表1），由Sangon公司合成。

1.2 方法

1.2.1 總RNA的提取 以成年牦牛背最長肌為材料，參照RNA提取試劑盒說明書提取RNA。總RNA用無菌DEPC水溶解，用瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的完整性。

1.2.2 PCR擴增與測序 RNA反轉錄為cDNA：反應總體系為10 μL：5×gDNA Eraser Buffer（2.0 μL），gDNA Eraser（1.0 μL），Total RNA（1.0 μL），Rrime Script RT Enzyme Mix（1.0 μL），RT Primer Mix（1.0 μL），5×RrimeScript Buffer（4.0 μL），RNase Free H2O（10 μL）。PCR反應條件為：42℃ 25 min，85℃5 s，4℃保存。

PCR擴增雙鏈：總反應體系25 μL：LA Premix 12.5 μL，上下游引物各0.5 μL，cDNA模板1.0 μL，RNase Free H2O 10.5 μL。PCR反應條件為：94℃預變性4 min；94℃變性30 s，55℃退火40 s，72℃延伸3 min，共30個循環；72℃延伸10 min，4℃保存。PCR產物用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測。

用DNA凝膠回收試劑盒回收PCR擴增產物，連接到pGEM-T easy載體上，16℃過夜。轉化E.coli DH5α感受態細胞，接種轉化后的DH5α于含有Amp的LB固體培養基上，37℃培養12-16 h后，挑取陽性菌落接種于含有Amp的LB液體培養基中，37℃條件下220 r/min振蕩培養8 h，對菌液進行PCR鑒定后，送至Sangon公司測序。

1.2.3 實時熒光定量PCR反應體系和條件 根據NCBI中下載的牦牛CAPN3基因（登錄號：NM-174260.2）應用Primer5.0設計1對引物（表1）。實時熒光定量PCR反應體系為10 μL，SYBRI Mix 5 μL，模板cDNA 0.6 μL，上下游引物各0.2 μL，RNase Free H2O 4 μL。PCR反應程序：95℃預變性30 s；95℃變性15 s，60℃退火30 s，40個循環。

2 結果

2.1 CAPN3基因的克隆及理化性質分析

PCR產物用10 g/L的瓊脂糖凝膠電泳分析，可見3條DNA片段（圖1），大小分別為2 064、1 057和1 104 bp，與預期DNA片段大小一致。重組質粒測序結果（圖2）表明，本研究克隆測序得到的序列為3 180 bp，通過BLAST比對確定該序列為牦牛CAPN3基因，其中開放閱讀框長2 469 bp，編碼822個氨基酸，起始密碼子為ATG，終止密碼子為TGA，CAPN3基因編碼的蛋白分子量約為94.58 kD，理論等電點為5.70。含有20種基本氨基酸，其中含量最高的是Glu（7.5%），含量最低的是His（1.9%）；含有帶負電荷的殘基122個，正電荷殘基107個，酸性氨基酸為14.84%，堿性氨基酸為14.96%。

2.2 CAPN3基因編碼蛋白的疏水性/親水性預測和分析

依據氨基酸分值越低親水性越強和分值越高疏水性越強的規律可知，牦牛CAPN3基因氨基酸序列的第491位Arg具有最低的分值-3.967，其親水性最強；第481位Phe具有最高分值2.978，其疏水性最強?？芍?，整個多肽鏈表現為親水性（圖3）。2.3 CAPN3基因編碼蛋白信號肽和跨膜區分析

（3）以幼兒發展為中心的原則：家長助教的最終目的是促進幼兒的發展，所以活動的核心應圍繞幼兒的全面發展進行。

圖1 牦牛CAPN3基因PCR擴增產物的電泳圖

蛋白信號肽分析表明，CAPN3編碼的蛋白不存在信號肽，屬于非分泌蛋白。編碼蛋白所有氨基酸都位于膜表面，可知其是一種表面蛋白（圖4）。

2.4 CAPN3基因編碼蛋白的亞細胞定位

牦牛CAPN3基因編碼蛋白的亞細胞定位分析結果可知，其分布在細胞質和細胞核中的可能性為39.1%，分布在線粒體中的可能性為8.7%，分布在液泡、細胞外基質和細胞骨架的可能性為4.3%。

2.5 牦牛CAPN3基因編碼蛋白結構域和蛋白質功能位點預測

用Interpro軟件對CAPN3基因編碼蛋白進行結構域預測，結果（圖5）顯示，該序列在56-426氨基酸序列之間有CysPc家族蛋白功能域，在429-583氨基酸序列之間有calpain-Ⅲ家族蛋白功能域，在697-725、727-755、792-820氨基酸序列之間有EFh家族蛋白功能域。運用Netphos軟件對CAPN3基因編碼蛋白分析，可知該蛋白有25個絲氨酸磷酸化位點，2個蘇氨酸磷酸化位點，8個酪氨酸磷酸化位點（圖6）。

2.6 CAPN3基因編碼蛋白的二級結構和三級結構預測

用SOPMA服務器預測CAPN3基因編碼蛋白的二級結構，結果（圖7）表明，該蛋白包含35.64% α-螺旋、43.8%無規則卷曲、15.33%伸展鏈和5.23% β-轉角。可推斷α-螺旋和無規則卷曲是牦牛CAPN3編碼蛋白主要的二級結構元件。采用同源建模法，結果（圖8）顯示，該蛋白主要由α-螺旋、無規則卷曲和β-折疊組成，與二級結構預測結果基本一致。

使用MegAlign軟件進行同源性分析（圖9）發現，牦牛CAPN3基因編碼蛋白與其他物種CAPN3基因編碼蛋白具有很高的同源性，均在90%以上。使用MEGA5.1中的NJ法構建CAPN3基因的系統發育樹，結果（圖10）表明，牦牛與黃牛、綿羊和豬在系統發育樹種距離較近，這與動物學分類一致。

圖2 牦牛CAPN3基因和編碼蛋白序列

圖3 牦牛CAPN3基因編碼蛋白的疏水性預測

圖4 牦牛CAPN3基因編碼蛋白跨膜分析

2.8 CAPN3基因在不同組織中的表達水平檢測

CAPN3基因在所檢測牦牛的心臟、肝臟、脾臟、肺臟、腎臟、胰臟、背最長肌組織中均有表達，而背最長肌、胰臟中的表達高于其他組織（圖11）。

3 討論

圖5 牦牛CAPN3基因編碼蛋白結構域預測

圖6 牦牛CAPN3基因編碼蛋白磷酸化位點預測

圖7 牦牛CAPN3基因編碼蛋白的二級結構預測

圖8 牦牛CAPN3蛋白三級結構預測圖

圖9 不同物種CAPN3蛋白氨基酸序列同源性比較

圖10 CAPN3基因的系統發育樹

圖11 牦牛CAPN3基因在不同組織中的表達量

CAPN3作為影響肉質性狀的候選基因，近年來得到了越來越廣泛的重視，CAPN3 可通過自溶降解肌聯蛋白和伴肌動蛋白，在宰后肉的嫩化中扮演重要角色［6］。本研究采用RT-PCR技術，克隆獲得CDs區長2 469 bp，其編碼822個氨基酸，其編碼的蛋白質為親水性蛋白質，說明該蛋白為水溶性蛋白。亞細胞定位推斷牦牛CAPN3基因編碼蛋白可能主要在細胞質和細胞核中發揮生物學作用。磷酸化是一種重要的蛋白質翻譯后修飾，蛋白磷酸化與多種生物學過程密切相關［14］，該蛋白有35個磷酸化位點，可推測CAPN3在行使生理化功能前或者與其他蛋白互作時可能需要磷酸化的活化。二硫鍵可以使不同區域的氨基酸靠攏并形成穩定的空間拓撲結構，同時疏水氨基酸殘基圍繞著二硫鍵可形成局部疏水中心，利于形成穩定的高級結構域［15］，這對CAPN3蛋白功能的發揮可以產生重要的影響。在一定的生理條件下，氨基酸序列決定了它的二級結構和空間構象。牦牛CAPN3蛋白由35.64% α-螺旋、43.8%無規則卷曲、15.33%伸展鏈和5.23% β-轉角組成，不同的二級結構元件構成了CAPN3蛋白特定的高級結構，進而可以行使特定的生理生化功能。牦牛與黃牛、綿羊和豬在系統發育樹種距離最近，這與Walder等［16］研究結果相似。

據Kinbara等［17］報道，CAPN3在成年動物中幾乎只在骨骼肌中表達，而Missa等［11］用免疫印跡法分析小鼠的不同器官（骨骼肌、心臟、肝臟、子宮、腎臟、小腸和肺臟）CAPN3的表達量，發現其在骨骼肌中的表達是受限的［18］。張增榮等［19］研究山地烏骨雞和商品雞CAPN3基因在不同組織中的表達，發現CAPN3基因在胸肌和腿肌中的表達量最高，且CAPN3基因在10周齡商品雞中所有組織的表達量高于10周齡的山地烏骨雞。劉博洋等［20］研究發現草原紅牛脾臟中的CAPN3基因表達量顯著高于其他組織。本研究采用實時熒光定量PCR方法對牦牛不同組織中CAPN3基因表達水平差異進行檢測，結果顯示，CAPN3基因在所檢測牦牛的心臟、肝臟、脾臟、腎臟、胰臟及背最長肌7種組織中均有表達，不同組織中表達水平不同。本研究發現所檢測的牦牛的各組織中，胰臟、背最長肌中的CAPN3基因表達量顯著高于其他組織。因此，背最長肌中CAPN3基因表達量顯著高于其他組織，為改良牦牛肉的嫩度提供了理論依據。

4 結論

牦牛CAPN3基因的CDs區長2 469 bp，其編碼822個氨基酸，其編碼的蛋白質為親水性蛋白質，說明該蛋白為水溶性蛋白。牦牛CAPN3蛋白由35.64% α-螺旋、43.8%無規則卷曲、15.33%伸展鏈和5.23% β-轉角組成，不同的二級結構元件構成了CAPN3蛋白特定的高級結構，進而可以行使特定的生理生化功能。結果顯示，所檢測的牦牛的各組織中，胰臟、背最長肌中的CAPN3基因表達量顯著高于其他組織。

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（責任編輯馬鑫）

Cloning and Tissue-specific Expression of CAPN3 Gene in Yak

WANG Ying-jie1，2YAN Ping1，2PAN He-ping2WU Xiao-yun1，2LI Ming-xia2
（1. College of Life Science and Engineering，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730030；2. Key Laboratory of Yak Breeding Engineering of Gansu Province，Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730050）

Using the longissimus of yak（Bos grunniens）back as material， the CDs sequence of yak CAPN3 gene was cloned by RTPCR， and it was analyzed by bioinformatics. The results indicated that the length of CDs in yak CAPN3 gene was 2 469 bp and encoding 822 amino acid residues. Bioinformatics analysis showed that the protein encoded by CAPN3 was the non-secretory surface protein， containing 35 phosphorylation site， and mainly played a biological role in the cytoplasm and nuclei. The secondary structure was mainly composed of α-helices，random coil， extended chain and β-turn， having the structure domains of CysPc， calpain-Ⅲ and EFh families and no signal peptide. The CAPN3 of yak was the most similar with those of Bos taurus， Ovis aries and Sus scrofa in phylogenetic tree. Real-time PCR analysis revealed the expressions of CAPN3 in varied tissues. There were expressions in all 7 tissues， and they were high in the muscle and pancreas.

Bos grunniens；CAPN3 gene；cloning；bioinformatics；expression pattern

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.01.025

2015-04-14

西北民族大學研究生科研創新項目（ycx14165），國家科技支撐計劃項目（2012BAD13B05）

王英杰，女，碩士研究生，研究方向：分子育種；E-mail：1124063095@qq.com

閻萍，女，研究員，博士生導師，研究方向：動物遺傳育種；E-mail：pingyanlz@163.com