驢和馬基因比較分析

陳建興 孫玉江 潘慶杰 馬運(yùn)峰 嵇傳良 劉春環(huán)

摘要：驢具有很大的市場(chǎng)開發(fā)潛力和價(jià)值。通過生物信息學(xué)技術(shù)分析了驢基因的氨基酸序列特征，以期為阿膠原材料的鑒定或阿膠用驢的選育提供科學(xué)依據(jù)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)驢基因的氨基酸構(gòu)成富含大量的甘氨酸和脯氨酸，而色氨酸含量很低。氨基酸序列開頭的22個(gè)殘基預(yù)測(cè)為該肽鏈的信號(hào)肽區(qū)域，COL1A1蛋白中存在大量的卷曲螺旋。驢和馬該基因（剔除gap）mRNA序列間存在12處變異，氨基酸序列間只發(fā)現(xiàn)1處替換。提示在做原材料鑒定時(shí)，若以該基因?yàn)榉肿訕?biāo)記，應(yīng)著重檢測(cè)DNA間的差異。

關(guān)鍵詞：驢；馬；基因；比較分析

中圖分類號(hào)： S822.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0042-03

養(yǎng)驢業(yè)是我國(guó)畜牧業(yè)的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民生活中具有重要地位。雖然隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及，驢的役用價(jià)值逐漸消失了，伴隨而來的是驢群數(shù)量減少和種質(zhì)下滑[1-2]。在全國(guó)的大部分地區(qū)，驢的種群變化趨勢(shì)大致如此，但在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰地區(qū)，養(yǎng)驢業(yè)已明顯向肉用和藥用（阿膠）這2個(gè)發(fā)展方向過渡，養(yǎng)驢業(yè)仍是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。

膠原蛋白（也稱膠原，collagen）是細(xì)胞外基質(zhì)的一種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，為多糖蛋白，約占膠原纖維固體物的85%。膠原蛋白是動(dòng)物體中普遍存在的一種大分子蛋白，主要存在于動(dòng)物的結(jié)締組織（骨、軟骨、皮膚、肌腱、韌帶等）中，占哺乳動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)的25%～30%，相當(dāng)于體質(zhì)量的6%[3-4]。膠原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，比如低抗原性、在體內(nèi)易被人體吸收、能促進(jìn)細(xì)胞成活與生長(zhǎng)、促進(jìn)血小板凝集等，在食品、醫(yī)藥、組織工程、化妝品等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。中國(guó)傳統(tǒng)的膠原保健品“東阿阿膠”主要是以驢皮為原料（其實(shí)主要就是驢皮中所含的膠原蛋白）經(jīng)特殊工藝生產(chǎn)出來的，具有較好的滋補(bǔ)保健作用[5]。

膠原蛋白種類較多，常見類型為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅺ型。Ⅰ型膠原蛋白廣泛分布于動(dòng)物的肌肉、皮膚等組織中，是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的膠原蛋白成分，具有調(diào)控膠原纖維形成、組織分化、損傷修復(fù)等多種功能。部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)Ⅰ型膠原蛋白的主要成分α1鏈（COL1A1）在損傷組織修復(fù)過程中具有重要的生物學(xué)功能[6]。

人類基因（編碼Ⅰ型膠原蛋白3股螺旋鏈中的2股）是骨相關(guān)疾病和群體骨自然變異檢測(cè)的首選基因[7]，這是因?yàn)槭紫仍摶虻耐蛔儽蛔C明與骨質(zhì)疏松、成骨不全（OI）等骨病的發(fā)生有關(guān)[8-9]；其次，有研究發(fā)現(xiàn)，基因與骨強(qiáng)度（以骨礦物質(zhì)密度來度量）相關(guān)[10-12]。[JP+1]對(duì)于驢基因的研究，僅有Lian等的相關(guān)報(bào)道[6]。為此，本研究通過生物信息學(xué)技術(shù)初步比較分析驢和馬基因的序列特征，為阿膠原材料的鑒定或者阿膠用驢的選育提供科學(xué)依據(jù)。[JP]

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

所用的驢和馬基因序列，全部來自GenBank。驢和馬的登錄號(hào)分別為FJ594763、XM_005597481。

1.2分析方法

通過DNAMAN 7.0軟件完成所有分析。

2結(jié)果與分析

2.1驢COL1A1蛋白氨基酸構(gòu)成分析

通過對(duì)驢的COL1A1蛋白氨基酸組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸序列長(zhǎng)度為1 463個(gè)氨基酸殘基。從氨基酸構(gòu)成來看，驢的COL1A1中氨基酸以甘氨酸所占比例最高（出現(xiàn)388次，26.52%），其次為脯氨酸（出現(xiàn)278次，19%），最低的為色氨酸（出現(xiàn)6次，0.41%），具體見表1。

預(yù)計(jì)驢COL1A1氨基酸序列的等電點(diǎn)（pI）為5.55。

2.2驢COL1A1氨基酸序列信號(hào)肽預(yù)測(cè)

通過DNAMAN 7.0對(duì)驢COL1A1氨基酸序列進(jìn)行信號(hào)肽序列預(yù)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在氨基酸序列開頭的前22個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的序列信號(hào)肽的信號(hào)強(qiáng)度最大，估計(jì)此段序列為驢COL1A1的信號(hào)肽序列（圖1）。

2.3驢COL1A1蛋白氨基酸序列二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

對(duì)驢COL1A1蛋白氨基酸序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)序列中存在大量的卷曲（coiled-coil），而另2種二級(jí)結(jié)構(gòu)——螺旋（helices）和折疊（strands）出現(xiàn)的概率很小（圖2）。

2.4驢和馬 mRNA序列和編碼氨基酸序列比對(duì)分析[HT]

通過DNAMAN 7.0軟件的多重比對(duì)功能，對(duì)驢和馬的mRNA序列和編碼氨基酸序列進(jìn)行了比對(duì)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除去馬的登錄序列中的gap區(qū)段，mRNA序列中存在12處變異，而氨基酸序列間僅出現(xiàn)1個(gè)在驢中是A而在馬中是G的替換，結(jié)果見圖3。

3討論與結(jié)論

由表1可知，驢的COL1A1中氨基酸以甘氨酸所占比例最高，這是因?yàn)閯?dòng)物的膠原蛋白都是由3條α肽鏈形成的3股螺旋，而形成3股螺旋須要有大量甘氨酸的存在[3]。在膠原蛋白的肽鏈上每3個(gè)氨基酸就有1個(gè)甘氨酸，形成Gly-X-Y重復(fù)區(qū)域，X和Y經(jīng)常是脯氨酸或4-羥脯氨酸[3]，這也可以解釋脯氨酸的含量為何是第二大的。

信號(hào)肽能夠引導(dǎo)蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移到特定亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或分泌至胞外。信號(hào)肽一般包含3個(gè)區(qū)，N端帶正電荷；中間是主要功能區(qū)，以中性氨基酸為主，能形成α螺旋；C端含小分子氨基酸，帶負(fù)電荷，是信號(hào)序列切割位點(diǎn)。具備以上3個(gè)區(qū)，且位于分泌蛋白的N端，才能夠形成信號(hào)肽。通過DNAMAN7.0對(duì)驢COL1A1氨基酸序列進(jìn)行信號(hào)肽序列預(yù)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在氨基酸序列開頭的前22個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的序列信號(hào)肽信號(hào)強(qiáng)度最大，估計(jì)此段序列為驢COL1A1的信號(hào)肽序列。

對(duì)驢COL1A1氨基酸序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)序列中存在大量的卷曲（coiled-coil），而另2種二級(jí)結(jié)構(gòu)螺旋和折疊出現(xiàn)的概率很小。卷曲螺旋是由2股或2股以上α螺旋相互纏繞形成的超螺旋結(jié)構(gòu)。而在驢以COL1A1蛋白作為主要成分的膠原蛋白中，的確存在大量這種螺旋結(jié)構(gòu)，這也很好地支持了本研究的預(yù)測(cè)結(jié)果。

通過DNAMAN 7.0軟件的多重比對(duì)功能，對(duì)驢和馬的mRNA序列和編碼氨基酸序列進(jìn)行了比對(duì)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除去馬的登錄序列中的gap區(qū)段，mRNA序列中存在12處變異；而氨基酸序列間僅出現(xiàn)1個(gè)，為在驢中是A而在馬中是G的替換。因?yàn)樵谒袆?dòng)物中，都是一個(gè)保守基因，其序列本來就很少發(fā)生變化，在驢和馬親緣關(guān)系較近的物種對(duì)間，這種較小差異的出現(xiàn)也在情理之中。這也提示在做阿膠原材料鑒定時(shí)，以DNA為材料可能比以蛋白為材料更準(zhǔn)確和靈敏。

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