草魚Rac1基因編碼區(qū)生物信息學分析

張苗爽，董詩琳，姜 雪，劉麗霞，張 麗

（西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730030）

關鍵字：草魚；Rac1；編碼區(qū)；生物信息學

Ras相關C3肉毒素底物1（Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1）是Rho小GTP結合蛋白家族的成員之一，在細胞調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要的作用[1]。Rac小GTP蛋白亞家族中包含了Rac1、Rac2以及Rac3三個成員，此三種成員間表現(xiàn)出80%以上的高度同源性。其中Rac1主要參與調(diào)節(jié)肌動蛋白動力調(diào)控、細胞骨架重組、基因表達與轉(zhuǎn)錄、細胞黏附等一系列的細胞活動[2,3]。由于Rac1對人體細胞骨架重組和細胞增殖凋亡具有調(diào)節(jié)作用，故Rac1基因?qū)ξ赴⒎伟┖徒Y直腸癌等多種腫瘤的形成起著重要的影響[4]。根據(jù)現(xiàn)有的文獻發(fā)現(xiàn)Rac1在水生動物中的分子研究僅見于斑馬魚(GenBank accession no. BC071548.1)[5]、大菱鲆(GenBank accession no. FJ361904.1)[6]及大黃魚(GenBank accession no. XM_010729684)[7]中。

本研究主要使用生物信息學的研究方法，從分子水平對草魚的Rac1基因序列結構及相關生物信息學特性進行分析預測，探討草魚Rac1基因的功能信息、遺傳特性及相關的生理作用機制，為草魚的抗病育種提供理論基礎。

1 材料與方法

從GenBank中查找得到草魚Rac1基因的全長及編碼區(qū)序列（GenBank no.KR809443.1）信息，對草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)特性及功能結構域的分析與預測參照張麗等[8]文獻。

2 結果與分析

2.1 草魚Rac1基因開放閱讀框（ORF）和編碼蛋白質(zhì)理化特性預測與分析

開放閱讀框（Open Reading Frame，ORF）的識別是研究一個新的DNA序列是特定蛋白質(zhì)編碼基因的一部分或者全部分的先決條件[9]。可使用Bioedit及Lasergene7.1軟件預測草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)理化特性。結果表明草魚Rac1基因開放閱讀框片段長度為579 bp，編碼了192個氨基酸，對20種常用氨基酸進行比對，得出結果為亮氨酸(Leu)占其中比例最多，在整個氨基酸組成中占比9.9%，而組氨酸(His)和色氨酸(Trp)最少，占比均為1.0%。利用蛋白質(zhì)理化性質(zhì)在線分析軟件Rac1編碼的蛋白質(zhì)得出負氨基酸殘基總數(shù)（Asp+Glu）為21，正電荷殘基總數(shù)(Arg+Lys)為27，分子量為21 465.12 KDa，不穩(wěn)定指數(shù)為33.16，沒有超過其比對值40，即編碼產(chǎn)物穩(wěn)定，且其理論等電點值為8.9，半衰期為30 h。

2.2 草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)疏水性/親水性的預測分析

預測草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)的疏水性需運用Expasy服務器上的Protscale程序，結果顯示的縱坐標正值表示疏水，負值表示親水，該蛋白質(zhì)第81位半胱氨酸(Cys)疏水性最強(+3.089)，第184位的精氨酸(Arg)親水性最強(-2.622)。整個編碼產(chǎn)物中，親水氨基酸占53.35%，疏水氨基酸占46.65%，平均分值為+0.117，是正值，疏水，因此可推斷草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)是一種不溶性的蛋白質(zhì)。

2.3 草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)N-糖基化位點的預測

蛋白質(zhì)糖基化是指糖在糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)上的氨基酸殘基形成糖苷鍵的過程，蛋白質(zhì)糖基化修飾對蛋白質(zhì)折疊、分選及其定位有著重要意義，同時糖鏈結構的不同還會影響蛋白質(zhì)的半衰期和降解[8]。利用在線分析軟件對Rac1編碼蛋白質(zhì)的N-糖基化位點進行預測，結果表明草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)中只有1個潛在的N-糖基化位點，該位點是Asn39。

2.4 草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)二級結構和三級結構的預測分析

蛋白質(zhì)的二級結構是指多肽鏈借助氫鍵排列成沿一維方向形成的周期性結構的構象，這些構象通過各種次級鍵共同構成其三級結構。草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)二級結構：α-螺旋(Hh) 占 39.58%，無規(guī)則卷曲( Cc)占34.38%，β-轉(zhuǎn)角( Tt)占6.77%，β-折疊( Ee)占19.27%，由此判斷出草魚RAC1基因編碼蛋白質(zhì)二級結構為混合型。

3 討論

Rho小GTP蛋白家族包括七個亞家族，Rac是其中之一。Rac小GTP蛋白亞家族中包括Rac1、Rac2以及Rac3。Rac1能刺激細胞周期和DNA的合成，并參與Ras介導的轉(zhuǎn)化。Rac1具有調(diào)控細胞骨架及細胞防御機制的能力，能在病原菌入侵的時候發(fā)揮重要作用，主要包括吞噬作用產(chǎn)生的活性氧和抗微生物肽[10]。據(jù)報道，有關Rac1基因在分子方面的研究多見于人類和嚙齒等動物，草魚Rac1基因的分子功能方面的研究還是一片空白。經(jīng)分析，草魚Rac1基因的開放閱讀框為579 bp，分子質(zhì)量為21.46512kDa，根據(jù)其理論等電點為8.9，不穩(wěn)定指數(shù)為33.16，小于40，推斷該蛋白質(zhì)為穩(wěn)定蛋白。在20種氨基酸的組成中，營養(yǎng)價值較高的亮氨酸（Leu）數(shù)量最多（19個），弱堿性的組氨酸（His）數(shù)量最少（2個），對蛋白質(zhì)空間結構起重要作用的半胱氨酸（Cys）有7個，終止α-螺旋的脯氨酸（Pro）有14個。

據(jù)預測結果，草魚Rac1基因編碼的蛋白質(zhì)為192個氨基酸經(jīng)螺旋折疊而成的穩(wěn)定不溶性蛋白質(zhì)，存在1個N-糖基化位點，這個位點可能會影響蛋白質(zhì)對絲氨酸蛋白水解酶的鈍化或抑制的作用。草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)的預測結果顯示二級結構中Hh、Ee、Cc、Tt所占的比例分別為39.58%、19.27%、34.38%、6.77%，故草魚Rac1蛋白質(zhì)二級結構是以α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主的混合型蛋白。

在病原菌入侵時，由于Rac1能發(fā)揮重要作用，且調(diào)控部分細胞防御機制，可以預防魚類疾病，為人類提供優(yōu)質(zhì)的魚類產(chǎn)品，降低養(yǎng)殖損失，因此在漁業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應用前景。本文通過對草魚Rac1基因編碼蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和結構功能的預測，能夠更好地為草魚的抗病育種供理論參考。