大熊貓細胞色素C氧化酶亞基I基因的克隆及生物信息學分析

凌珊珊，王平峰，黃曉宇，黃 炎，屈元元，葉 剛，楊福興

（1.中國大熊貓保護研究中心，四川 都江堰 611830；2.四川農業大學動物醫學院，四川 成都 611130；3.四川農業大學動物科技學院，四川 成都 611130）

細胞色素氧化酶（COX）位于線粒體內膜，是呼吸鏈中唯一能夠將氧還原成水的復合物，在能量產生過程中發揮著至關重要的作用［1］。它由13 個結構亞基組成，COX I-III 由線粒體基因編碼，形成細胞色素C氧化酶的催化核心［2］，其余10個亞基由核基因編碼，參與調節酶的活性［3］。細胞色素氧化酶亞基I 由COX I 編碼，是COX 亞基中最大、最保守的亞基，COX I 與CuB、血紅素α3以及血紅素α結合［4］。COX I 基因突變將影響COX I 多肽的翻譯和呼吸鏈復合體IV 的組裝，進而導致COX 缺失，臨床表現出肌病、腦病、失明、聽力喪失和周圍神經病變等［5］。COX I 基因除參與線粒體能量代謝外，還可作為條形碼基因用于研究物種進化及生物學分類［6］。

大熊貓作為我國特有的珍稀動物，被列為國家一級保護野生動物。迄今為止，關于大熊貓COX I蛋白序列和結構的研究鮮有報道。本研究利用基因克隆技術獲取了COX I 基因序列，構建了大熊貓與其他動物的系統發育樹，并對大熊貓COX I 核酸序列、編碼蛋白的理化性質和結構等進行預測和分析。

1 材料與方法

1.1 材料 血樣：大熊貓血樣采集自四川臥龍中國大熊貓保護中心，所采集的血樣加入適量Trizol 后凍存于液氮中。試劑：Trelief 5α大腸桿菌感受態細胞，PCR Mix，pGL3-protomer 載體及TreliefTMSoSoo Cloning Kit（北京擎科新業生物）；RNA 抽提試劑Trizol 試劑（賽默飛世爾）；逆轉錄試劑盒（南京諾維贊）；LB 肉湯培養基（海博生物）；切膠回收試劑盒（QIAuick生物）。

1.2 方法

1.2.1 引物設計及合成 根據GenBank 公布的大熊貓COX I 基因序列，采用Snapgene 軟件設計了一對同源臂引物。引物序列為：

HR-COX I-F：GCGTGCTAGCCCGGGCTCGA GATGTTCATTAACCGATGACT；HR-COX I-R：AATTGAGATGCAGATCGCTGATCTCGAGTTATT TCAGTATGACGTGGG。引物由北京擎科生物公司合成。

1.2.2 RNA 的提取與反轉錄 根據RNA 提取和反轉錄試劑盒說明書操作，提取大熊貓血液總RNA；隨后進行反轉錄反應，反應結束后將生成的cDNA保存于-20 ℃冰箱。

1.2.3 PCR擴增 將保存的cDNA作為模板進行PCR 擴增，反應結束后，PCR 產物經瓊脂糖凝膠電泳檢測，并在電泳結束后拍照。

1.2.4 克隆與測序 PCR 產物純化后與載體連接，然后轉化，產物于37 ℃培養過夜；將單個菌落擴菌后的菌液為模板進行PCR擴增，再送樣測序。

1.2.5 大熊貓COX I蛋白的理化性質預測 使用ExPASy-ProtParam Tool 對大熊 貓COX I 蛋白 的分子式、等電點等理化性質進行分析，應用Proscale工具進行親水性和疏水性預測。

1.2.6 大熊貓COX I蛋白二級結構和三級結構預測 使用ExPASy GOR Ⅳ 4.0 和PredictProtein分析COX I 蛋白的二級結構，用SWISS-MODEL預測COX Ⅰ蛋白的三級結構。

1.2.7 系統發育樹構建 登錄NCBI 下載北極熊、懶熊和眼鏡熊等15個物種的COX I氨基酸序列，隨后使用MEGA 7.0構建系統發育樹。

2 結果與分析

2.1 大熊貓COX I序列分析及理化性質 電泳結果顯示PCR 產物條帶明亮，長度為1 600 bp 左右（圖1）。測序結果使用Snapgene 軟件拼接，結果顯示大熊貓COX I 基因的長度為1 545 bp，堿基含量分別為：A 26.86%，C 23.11%，G 17.999%，T 32.04%，GC 含量為41.10%。經BLAST 比對，與已公布的COX Ⅰ基因（GenBank Accession NO：KU955847.1）的同源性為99.81%，共有3 個堿基存在差異：843 位（A 突變為G）、954 位（T 突變為C）和1 494 位（C 突變為T），但均不影響氨基酸編碼。使用ExPASy-ProtParam Tool 分析其編碼氨基酸序列，得出COX I 基因編碼蛋白由514 個氨基酸組成，原子總數為8 027 個，分子式為C2687H4008N626O671S35，分子質量為56 939.27u（56.9ku），半衰期理論值為30 h；負電荷氨基酸殘基數為24個，正電荷氨基酸殘基數為17個，等電點為6.22；不穩定系數為29.04，屬于穩定蛋白，脂肪指數為102.65，總平均親水系數為0.704。

圖1 PCR擴增產物電泳圖

2.2 系統發育樹 在序列比對的基礎上，采用MEGA 7.0 軟件構建系統發育樹，發現大熊貓COX Ⅰ氨基酸序列與其他熊科動物位于同一進化分支上（圖2），其中與懶熊的相似度最高，達98.6%。

圖2 系統發育樹

2.3 親水性和疏水性 如圖3 所示，COX I 蛋白第441 位的絲氨酸殘基的親水性最強（分值為-2.511），第192位的丙氨酸的疏水性最強（分值為3.244）。整體來看，COX I 蛋白中疏水性氨基酸多于親水性氨基酸，屬于疏水性蛋白質。

圖3 大熊貓COX I蛋白親水性和疏水性分析

2.4 蛋白質二級結構和三級結構 預測結果如圖4所示，大熊貓COX I蛋白的二級結構包括α螺旋、延伸鏈和無規則卷曲，其中延伸鏈占37.94%，無規則卷曲占42.80%，α螺旋占19.26%。大熊貓COX Ⅰ蛋白的三級結構模型如圖5所示，預測結構中含有α螺旋、無規則卷曲，與二級結構的預測結果一致。

圖4 大熊貓COX I蛋白的二級結構預測

圖5 大熊貓COX Ⅰ蛋白的三級結構預測

3 小結

本試驗通過克隆測序獲得了大熊貓COX I基因序列，經克隆測序得到的大熊貓COX I 基因核苷酸序列與NCBI 上公布的COX I 基因（GenBank Accession NO：KU955847.1）的同源性為99.81%，共有3 個堿基存在差異，但均不影響氨基酸編碼。系統發育樹結果顯示大熊貓與懶熊、棕熊、北極熊、眼鏡熊聚類成一簇，該結果與吳夏等［7］對四川黑熊的研究結果相似。本研究結果將為后續開展大熊貓的能量代謝和生物學進化提供參考。