綿羊ELOVL5基因的生物信息學(xué)分析

張小雪 趙利明 劉佳 楊曉斌 李沖

摘要：極長(zhǎng)鏈脂肪酸延伸酶蛋白家族（elongation of very-long-chain fatty acids， ELOVLs）是一類催化脂肪酸合成的限速酶，主要調(diào)控血脂、血糖及一些代謝疾病的發(fā)生。為探究綿羊ELOVL5基因的結(jié)構(gòu)和功能，本研究對(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 ELOVL5 基因編碼737個(gè)氨基酸，其編碼蛋白分子式為C1656H2448N416O415S16，其分子質(zhì)量為35 335.39 Daltions，理論等電點(diǎn)為9.47，估計(jì)半衰期為30 h，不穩(wěn)定性指數(shù)為33.35。亞細(xì)胞定位主要位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中（55.6%），ELOVL5基因編碼蛋白沒(méi)有信號(hào)肽序列，不屬于分泌蛋白。該蛋白存在多個(gè)跨膜區(qū)域，屬于跨膜蛋白，存在7個(gè)保守結(jié)構(gòu)域，并且為親水性蛋白，二級(jí)結(jié)構(gòu)主要以α螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲為主，三級(jí)結(jié)構(gòu)主要由α螺旋纏繞折疊而成。

關(guān)鍵詞：綿羊;ELOVL5基因;生物信息學(xué)

中圖分類號(hào)：S826 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-1463（2022）04-0024-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.04.005

Bioinformatics Analysis of Sheep ELOVL5 Gene

ZHANG Xiaoxue， ZHAO Liming， LIU Jia， YANG Xiaobin， LI Chong

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

Abstract：Very long chain fatty acids extend enzyme protein family （elongation of very long-chain fatty acids， ELOVLs） is a kind of fatty acid catalytic synthesis of speed limit of enzymes. It mainly regulates the occurrence of blood lipid， blood glucose and some metabolic diseases. To explore the structure and function of ?ELOVL5 gene in sheep. ?this gene and its encoding protein were analyzed by bioinformatics. The results showed that the sheep ELOVL5 gene encoded 737 amino acids， and the formula ?was C1656H2448N416O415S16. The molecular weight of the protein was 35 335.39 Daltions， the theoretical isoelectric point was 9.47， the estimated half-life was 30h， and the instability index was 33.35. The subcellular localization was mainly located in the endoplasmic reticulum（55.6%）. The protein encoded by ELOVL5 gene had no signal peptide sequence and was not ?secretory protein. This protein was ?transmembrane protein with multiple transmembrane regions. had 7 conserved domains， and was hydrophilic. The secondary structure ?mainly consist of alpha helix and random coil， the tertiary structure is mainly composed of winding and folding of α helix.

Key words：Sheep;ELOVL5 gene;Bioinformatics analysis

極長(zhǎng)鏈脂肪酸延伸酶（Elongase of very long chain fatty acids，ELOVL）基因家族是哺乳動(dòng)物中一類編碼超長(zhǎng)鏈脂肪酸（Very long chain fatty acids，VLCFA）延伸酶的基因家族，在哺乳動(dòng)物中現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)7個(gè)ELOVL基因家族成員，分別為ELOVL1～7[1 ]。哺乳動(dòng)物ELOVL基因家族與酵母ELO基因家族是垂直同源關(guān)系，ELOVL基因家族是在ELO基因家族的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的。ELOVL5 與延長(zhǎng)單不飽和脂肪酸（C16、C18）及多不飽和脂肪酸（C18、C20、C22）相關(guān)[2 ]，優(yōu)先延伸C18和C20這兩類多不飽和脂肪酸，在對(duì)C22多不飽和脂肪酸作用上活性相對(duì)較弱，很難作用于C22以上的多不飽和脂肪酸[3 ]。ELOVL基因家族成員在哺乳動(dòng)物很多組織中均有表達(dá)且存在組織特異性，ELOVL5基因在哺乳動(dòng)物肝臟、睪丸、大腦中均有表達(dá)[2 ]，其表達(dá)產(chǎn)物多為微粒體酶，在細(xì)胞液中、線粒體中和其他微粒體中參與脂肪酸鏈的延伸反應(yīng)。酵母ELO基因家族及人類ELOVL5基因家族的編碼產(chǎn)物都參與超長(zhǎng)鏈脂肪酸和神經(jīng)鞘質(zhì)的形成。ELOVL5參與哺乳動(dòng)物體內(nèi)酯類合成和脂肪酸氧化，還能通過(guò)調(diào)控肝臟脂肪和碳水化合物代謝來(lái)影響血糖血脂濃度[3 ]。 ELOVL5基因全長(zhǎng)897 bp，定位于人體6號(hào)染色體，共編碼299個(gè)氨基酸。有研究報(bào)道稱，ELOVL5基因的g-110 T > C 突變位點(diǎn)對(duì)日本黑牛的皮下脂肪厚度和產(chǎn)量有顯著影響[4 ]。王珍梅[5 ]利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)（RNA- seq）鑒定出ELOVL5基因?yàn)椴刎i和大約克豬脂肪沉積性狀的關(guān)鍵候選基因，而且其表達(dá)水平與背膘厚呈極顯著正相關(guān)。同樣的，胡海龍[6 ]采用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和全長(zhǎng)翻譯組測(cè)序（RNCseq）技術(shù)發(fā)現(xiàn)，ELOVL5等基因的翻譯調(diào)控會(huì)導(dǎo)致陸川豬與杜洛克豬肌肉組織脂肪含量及肌肉生長(zhǎng)速度產(chǎn)生差異。此外，ELOVL5基因與脂肪酸代謝有關(guān)，而脂肪酸含量、比例及種類與肉品質(zhì)及風(fēng)味有直接的關(guān)系[7 ]。因此，了解ELOVL5基因的生物學(xué)功能對(duì)畜牧業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展有著極其重要的作用。然而，目前有關(guān)綿羊ELOVL5基因的研究較少，其生物學(xué)功能尚不明確。我們從生物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)）中查詢綿羊ELOVL5基因的序列，利用生物信息學(xué)方法對(duì)綿羊ELOVL5基因及其編碼產(chǎn)物的理化性質(zhì)、序列特征、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及生物學(xué)功能進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，以期為深入研究綿羊ELOVL5基因相關(guān)及其編碼產(chǎn)物的功能提供理論基礎(chǔ)。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 序列來(lái)源

所有序列數(shù)據(jù)均來(lái)源于NCBI網(wǎng)站GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)，包括雞（XM_040697306.1）、綿羊（XM_ 012100862.3）、馬（NM_023625099.1）、貓（XM_019 80732.2）、牛（NM_001046597.1）、山羊（NM_00128 5628.1）、豬（NM_021098831.1）、人（NM_00124282 8.2）、黑猩猩（XM_024356979.1）等9個(gè)物種ELOVL5基因在NCBI網(wǎng)站GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)中的mRNA序列。括號(hào)內(nèi)為GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)登錄號(hào)。

1.2 ? 分析方法

分析綿羊ELOVL5基因開(kāi)放閱讀框（Open reading frame，ORF）時(shí)，采用NCBI的在線分析程序ORF Finder;預(yù)測(cè)其編碼蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)時(shí)，采用Bioedit軟件分析進(jìn)行預(yù)測(cè);采用PSORT預(yù)測(cè)亞細(xì)胞定位;采用分子生物學(xué)綜合應(yīng)用軟件DNAMAN多序列比對(duì)及同源性分析;采用Prot Scale工具分析蛋白質(zhì)的親疏水性;采用Smart軟件對(duì)蛋白質(zhì)保守結(jié)構(gòu)域分析;采用TMHMM Serverv.2.0進(jìn)行跨膜螺旋區(qū)域的預(yù)測(cè);采用Signalp軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)預(yù)測(cè);采用Jpred分析預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu);采用SWISS-MODEL在線工具進(jìn)行蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)[8 - 16 ]。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 綿羊ELOVL5基因開(kāi)放閱讀框分析

由綿羊ELOVL5基因開(kāi)放閱讀框分析結(jié)果（圖1）可知，綿羊ELOVL5基因序列中最大長(zhǎng)度的ORF為900 bp，起始密碼子位于156 bp處，終止密碼子位于1 845 bp處，推測(cè)其編碼737個(gè)氨基酸殘基。

2.2 ? 綿羊ELOVL5基因編碼產(chǎn)物理化性質(zhì)分析

蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)分析包括對(duì)其相對(duì)分子質(zhì)量、氨基酸組成以及等電點(diǎn)的理化性質(zhì)分析。從ELOVL5基因編碼產(chǎn)物的氨基酸組成（圖2）可以看出，共編碼299個(gè)氨基酸殘基，分子量為35 335.39 Da。其中Leu（亮氨酸）占比最高，為11.04%;Cys（半胱氨酸）占比最少，為2.01%。

2.3 ? 綿羊ELOVL5基因蛋白亞細(xì)胞定位

從綿羊ELOVL5基因蛋白亞細(xì)胞定位結(jié)果可知，ELOVL5基因編碼蛋白分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的可能性為55.6% ;分布在漿膜上的可能性次之，為22.2%;分布于液泡膜和高爾基體的可能性均最小，均為11.1%。由此推斷，綿羊ELOVL5基因蛋白主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中發(fā)揮作用。

2.4 ? 不同物種ELOVL5基因的多序列比對(duì)及同源性分析

在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中找到綿羊、雞、黑猩猩、馬、貓、牛、人、山羊以及狗共9種動(dòng)物的ELOVL5基因編碼的蛋白質(zhì)序列，通過(guò)DNAMAN軟件進(jìn)行分析比對(duì)，結(jié)果如圖3所示，發(fā)現(xiàn)其在9種動(dòng)物中均有表達(dá)。通過(guò)9種生物ELOVL5基因編碼產(chǎn)物序列的同源樹(shù)（圖4）分析發(fā)現(xiàn)，綿羊和牛、山羊的同源性較高，達(dá)到了98%;與貓、馬、雞的同源性較低，為84%。

2.5 ? 綿羊ELOVL5蛋白潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)預(yù)測(cè)及蛋白跨膜區(qū)預(yù)測(cè)

由綿羊ELOVL5基因編碼產(chǎn)物潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)結(jié)果（圖5）可知，編碼產(chǎn)物的C值、S值、Y值分別為0.103、0.630、0.074，且不存在信號(hào)肽序列，因此推斷該產(chǎn)物不是分泌蛋白。由跨膜區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果（圖6）可知，該產(chǎn)物存在7段跨膜區(qū)域，是一種跨膜蛋白。

2.6 ? 綿羊ELOVL5蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析

由綿羊ELOVL5基因跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)域結(jié)果（圖7、圖8）得知，該蛋白共有7段跨膜區(qū)域，分別為28～50、63～85、110～132、139～158、168～187、207～224、229～251。

2.7 ? 綿羊ELOVL5蛋白親疏水性分析

通過(guò)ProtScale工具分析綿羊ELOVL5蛋白的親疏水性可得結(jié)果（圖9），其疏水性最大值為2.878，位于第44位，最小值為-3.811，位于第265位。由此可知，綿羊ELOVL5蛋白是親水性蛋白。

2.8 ? 綿羊ELOVL5蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

由Jpred軟件分析結(jié)果（圖10）可知，綿羊ELOVL5基因的編碼產(chǎn)物有186段α螺旋，有7段β折疊，有106段無(wú)規(guī)則卷曲。

2.9 ? 綿羊ELOVL5蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

根據(jù)綿羊ELOVL5蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果（圖11）可知，該蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)主要由α螺旋纏繞折疊而成。

3 ? 小結(jié)與討論

隨著科技水平的日益提高，生物信息分析越來(lái)越多的應(yīng)用于現(xiàn)代分子生物學(xué)研究[17 ]。ELOVL5是ELO家族的成員，是一種位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的多道膜蛋白。ELOVL5對(duì)長(zhǎng)鏈脂肪酸的延伸很重要，在花生四烯酸、油酸、硬脂酸、棕櫚酸、亞麻酸和二十碳五烯酸的延伸反應(yīng)中起限制作用[18 ]。而超長(zhǎng)鏈脂肪酸是脂質(zhì)介質(zhì)的前體，也是細(xì)胞鞘質(zhì)、甘油磷脂的組成部分。這些多不飽和脂肪酸參與多種生理過(guò)程，不可或缺，還與炎癥、過(guò)敏反應(yīng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和皮膚疾病相關(guān)的病理過(guò)程相關(guān)。與超長(zhǎng)鏈脂肪酸代謝相關(guān)酶的編碼基因發(fā)生突變后可能會(huì)導(dǎo)致魚(yú)鱗病、脫髓鞘、智力相關(guān)遺傳病、黃斑變性等，ELOVL5基因編碼的組織相容性復(fù)合物對(duì)免疫反應(yīng)起到關(guān)鍵作用[19 ]。本研究中序列比對(duì)及同源性分析結(jié)果表明，綿羊ELOVL5基因同源性在所有分析的9種動(dòng)物中與牛和山羊的關(guān)系最近，同為98%，這可能是由于同為反芻動(dòng)物的原因。與雞、馬、貓同源性最低，為84%。此外，還發(fā)現(xiàn)該蛋白為親水性蛋白，且有7段跨膜區(qū)，為跨膜蛋白，表明該蛋白參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。蛋白高級(jí)結(jié)構(gòu)分析表明，其二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)組成一致，均是由α螺旋組成。許多研究表明，ELOVL5基因?qū)倚蟆⒓仪莸闹境练e性狀起著重要的作用[20 - 24 ]，綿羊ELOVL5基因通過(guò)影響超長(zhǎng)鏈脂肪酸的代謝進(jìn)而影響著綿羊的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中諸多方面。綿羊ELOVL5基因及其編碼蛋白具體的作用機(jī)理及作用方式在綿羊中還有待研究。本試驗(yàn)僅對(duì)該基因及其編碼產(chǎn)物做了生物信息學(xué)分析，可為以后深入研究綿羊ELOVL5基因提供一定的基礎(chǔ)，但是其生物學(xué)功能還需要深入研究。

綿羊ELOVL5基因最長(zhǎng)ORF長(zhǎng)度為900 bp，起始密碼子位于156 bp處，終止密碼子位于1 845 bp處;綿羊ELOVL5基因編碼蛋白分子式為C1656H2448N416O415S16，分子質(zhì)量為35 335.39 Da。在氨基酸組成中，亮氨酸在其中所占比率最高（11.04%）， 半胱氨酸所占比率最低（2.01%）。理論等電點(diǎn)為9.47，估計(jì)半衰期為30 h，不穩(wěn)定性指數(shù)為33.35。ELOVL5基因編碼產(chǎn)物潛在信號(hào)肽剪切位點(diǎn)預(yù)測(cè)最大C值為0.103，最大Y值為0.074，最大S值為0.630，無(wú)信號(hào)肽剪切位點(diǎn)，是一種非分泌蛋白。發(fā)現(xiàn)了7段跨膜區(qū)，為跨膜蛋白，且該蛋白為親水性蛋白。其親水性最大值為2.878，位于第44位;最小值為-3.811，位于第265位。亞細(xì)胞定位分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的可能性最大，為55.6%。該蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)主要為α螺旋，三級(jí)結(jié)構(gòu)由α螺旋纏繞折疊形成。

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收稿日期：2022 - 02 - 18

基金項(xiàng)目：國(guó)家畜禽良種聯(lián)合攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（19210365）;甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年英才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（Gaufx-03Y11）。

作者簡(jiǎn)介：張小雪（1984 — ），女，湖北武漢人，副教授，主要從事動(dòng)物遺傳育種與繁殖研究及教學(xué)工作。聯(lián)系電話：（0931）7631225。Email：zhangxx@gsau.edu.cn。

通信作者：李 ? 沖（1986 — ），男，甘肅平?jīng)鋈耍苯淌冢饕獜氖路雌c動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究及教學(xué)工作。聯(lián)系電話：（0931）7631225。Email：lichong@gsau.edu.cn。