綿羊HMGA1基因的生物信息學分析

靳皓宇 武順 權潔 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DNA轉錄起調控作用的基因，廣泛存在于多種動物體內。為探究HMGA1基因在綿羊體內的功能，對該基因及其編碼產物進行了生物信息學分析。結果顯示，綿羊HMGA1基因編碼152個氨基酸殘基，其編碼的蛋白質分子式為C443H759N151O151S1，分子質量為10.648 35 kDa，等電點pI為10.31。綿羊HMGA1蛋白為不穩定蛋白、親水性蛋白、非分泌蛋白且無信號肽序列和跨膜結構;亞細胞定位主要存在于細胞核（95.7%）。綿羊與牛的HMGA1蛋白相似度為100%。其二級結構和三級結構主要以無規卷曲組成。

關鍵詞：綿羊;HMGA1基因;生物信息學分析

中圖分類號：S826;Q57? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：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年于牛胸腺細胞中首次發現的一類染色質相關非組蛋白。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基因轉錄后的可變剪接，HMGA1又分為長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 ]。有關哺乳動物HMGA1基因在癌癥細胞增殖和分化方面的研究較多，并且可能成為檢測腫瘤標志物以及預測腫瘤預后的良好指標，針對HMGA1的治療亦可能成為治療腫瘤的新途徑[4 ]。小鼠HMGA1基因對白色脂肪和棕色脂肪的生成起重要作用[5 ]，另有研究報道稱豬HMGA1基因和黑皮質素受體4（melanocortin receptor 4，MC4R）基因的SNP互作與其生長、瘦肉量以及脂肪含量均有一定關系[6 - 8 ]。有研究表明，豬HMGA1基因能提高軟骨細胞增殖活性[9 ]，并通過調控透明軟骨細胞增殖和分化來影響軟骨組織的修復[10 ]，從而影響骨骼的結實度。目前針對HMGA1基因及其編碼產物的研究大多集中于人類和豬，而針對綿羊的研究較少。我們通過調取生物基因組數據庫中綿羊HMGA1的序列，利用生物信息學方法對綿羊HMGA1基因及其編碼產物的序列、理化性質、蛋白質結構和生物學功能等進行了研究，以期為進一步研究該基因的結構和生物學功能提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?序列來源

序列數據來源于NCBI網站GeneBank數據庫，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個物種的mRNA序列和氨基酸序列。括號內為GeneBank登錄號。

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;理化性質分析采用Bioedit及ExPASy分析軟件;綿羊HMGA1蛋白亞細胞定位采用PSORTⅡ軟件，蛋白潛在信號肽剪切位點預測采用SignalP3.0軟件，蛋白跨膜螺旋區域預測采用TMHMM程序，蛋白保守結構域分析采用Smart軟件，蛋白親疏水性分析采用Prot Scale軟件，二級結構預測采用Jpred軟件，蛋白三級結構預測采用Swiss-model軟件。多序列比對及同源性分析采用DNAMAN軟件。

2? ?結果與分析

2.1? ?綿羊HMGA1的理化性質分析

蛋白質的基本性質包括相對分子質量、氨基酸組成、等電點基因編碼產物半衰期和不穩定指數等[11 ]。利用Prot Param在線工具和Bioedit軟件對綿羊HMGA1基因編碼產物的理化性質進行分析，結果表明，其編碼產物的分子式為C443H759N151O151S1，共含有1 505個原子。該編碼產物氨基酸殘基數為152個，分子質量為10.648 35 kDa，理論等電點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），負電荷殘基總數（Asp + Glu）為15，正電荷殘基總數（Arg + Lys）為27。該編碼產物在哺乳動物體外的半衰期為30 h，不穩定指數為81.81，不穩定指數為81.81 > 40，可確定該蛋白屬于不穩定蛋白。

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潛能的序列，結束于終止密碼子連續的堿基序列[12 ]。由ORF分析可知，該序列最大的開放閱讀框長度為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個氨基酸殘基（圖2）。

2.3? ?綿羊HMGA1蛋白亞細胞定位

從亞細胞定位結果可知，綿羊HMGA1蛋白分布于細胞核的可能性為95.7%，分布于細胞質的可能性為4.3%。由此推斷，綿羊HMGA1基因編碼產物主要在細胞核中發揮生物學作用。

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表的動物如人、綿羊、家鼠、雞、牛、海龜、黑猩猩、獼猴和豬9種動物的蛋白序列構建系統進化樹，采用DNAMAN對9個物種的HMGA1蛋白的氨基酸序列進行多序列比對，結果如圖3所示。可以看出，HMGA1基因在這9個物種中均有表達。系統發育分析結果（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100%，說明人、黑猩猩、獼猴的親緣關系較近，綿羊和牛的親緣關系比較近，綿羊與雞和海龜的同源性較低。

2.5? ?綿羊HMGA1蛋白潛在信號肽剪切位點預測

信號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。蛋白質的合成在核糖體上進行，信號肽是蛋白質的一個片段，引導核糖體并定位于內質網上的一個通道上，使核糖體附著在內質網上，并將不斷伸長的蛋白質鏈穿透通過通道，隨后信號肽被切割下來，合成完成的蛋白質被釋放進內質網腔，最后被轉運到胞外[13 ]。通過檢測綿羊HMGA1蛋白潛在信號肽的存在情況可以得知該基因編的產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基因的編碼產物不存在信號肽，且未發現跨膜區，所以該蛋白既為非分泌性蛋白，也為非跨膜蛋白，主要位于細胞核內。

2.6? ?綿羊HMGA1蛋白跨膜螺旋結構預測

采用TMHMM在線軟件對于綿羊HMGA1蛋白跨膜螺旋結構進行分析預測，結果表明，綿羊HMGA1基因編碼的蛋白質是非跨膜蛋白，即無跨膜結構（圖6）。

2.7? ?綿羊HMGA1蛋白保守結構域分析

由綿羊HMGA1蛋白潛在信號肽剪切位點預測已知綿羊HMGA1基因編碼的蛋白是非跨膜蛋白，進而通過Smart軟件分析，綿羊HMGA1蛋白沒有跨膜結構。但是存在3個低復雜性區域，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對綿羊HMGA1蛋白親疏水性分析，結果表明，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蛋白二級結構的預測

蛋白質高級結構決定了它行使的生物功能，其二級結構是指在它的多肽鏈中具有規則重復的構象[14 ]。二級結構（secondary structure）是蛋白質第一個水平的折疊，即部分蛋白質鏈折疊形成一些通用結構，這些通用結構在所有蛋白質中都能找到[15 ]。通過Jpred軟件分析可知（圖9），綿羊HMGA1蛋白二級結構全部為無規卷曲結構。

2.10? ?綿羊HMGA1蛋白三級結構預測與分析

三級結構（ tertiary structure）是指蛋白質在二級結構基礎上的進一步折疊，通過將二級結構元素組裝在一起形成每個蛋白質特有的三維構象[15 - 16 ]。由圖10可知，綿羊HMGA1基因編碼蛋白的三級結構主要由無規卷曲折疊纏繞形成。

3? ?小結與討論

綿羊HMGA1基因的最長ORF長度為459 bp，編碼152個氨基酸殘基;賴氨酸所占比例最多，為16.67%，分子質量為10.648 35 kDa，理論等電點（pI）為10.31。HMGA1基因編碼的產物為不穩定性蛋白。其亞細胞定位的結果顯示在細胞核的可能性最大，為95.7%。HMGA1在多種物種中氨基酸序列高度相似，綿羊與牛在系統發育樹中距離最近。HMGA1基因的編碼產物中不存在信號肽，為非分泌性蛋白且沒有跨膜區，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基因編碼產物的二級結構主要以無規卷曲組成，三級結構主要由無規卷曲折疊纏繞形成。

在對豬全基因組序列數據對體尺性狀進行全基因組關聯研究中發現，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個突變位點與豬的生長、飼料利用性狀相關。對豬群HMGA1基因突變位點檢測試驗的結果顯示，T等位基因型可以增加個體的體長[19 ]。在HMGA1基因與湖羊尾脂肪沉積的相關性分析中，得出了HMGA1基因可作為湖羊尾脂重量標記輔助選擇的遺傳標記的結論[20 ]。這些研究都表明，HMGA1基因在提高生長性狀上具有較大潛力，因此HMGA1基因可作為選種依據。此外，HMGA1基因還可作為RAD51的新型調節器，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后生物標志物[22 ]。

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