驢生長激素基因序列初步分析

摘要：通過對驢（Equus asinus）GH基因序列進行生物信息學分析，結果表明，驢GH基因共包含5個外顯子和4個內含子。5個外顯子連接形成651 nt的CDS區序列，整個CDS區翻譯出216個氨基酸構成的多肽。驢GH基因編碼的216個氨基酸中，大多數氨基酸為親水性氨基酸。原始肽鏈的前20多個氨基酸序列出現一個典型的疏水峰，為該原始肽鏈的信號肽片段。驢的GH基因中的氨基酸以亮氨酸所占的比例最高（13.89%，共出現30次），其次為丙氨酸（10.19%，共出現22次），最低的為色氨酸（0.93%，共出現2次）。驢生長激素的編碼存在明顯的密碼子使用偏好。

關鍵詞：驢（Equus asinus）；生長激素；生物信息分析；密碼子使用偏好

中圖分類號：Q81 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1751-04

驢（Equus asinus）屬奇蹄目馬科馬屬，廣泛分布于世界各地，亞洲數量最多，其次為非洲。中國驢的現存數量居世界首位，多集中在中溫帶和暖溫帶氣候的西北、華北、西南以及東北的部分地區[1]。隨著農業機械化的推進和交通運輸業的快速發展，驢作為家畜的地位日益降低，而逐漸向肉用和藥用方向過渡。

哺乳動物生長激素（Growth hormone，GH）是由腦垂體前葉部分細胞分泌的一種單一肽鏈的蛋白質激素。GH具有廣泛的生理作用，主要是通過刺激肝和其他組織分泌IGF-1來刺激肌原細胞的分化和增殖，并刺激肌肉和其他組織氨基酸的攝入和蛋白質的合成。GH可影響動物機體蛋白質、脂肪和糖類的代謝，對機體各器官和組織具有影響，與機體生長發育密切相關[2]；GH也參與機體的性別分化、性腺類固醇類激素的發生、生殖細胞發生、排卵、妊娠反應和泌乳等過程，對哺乳動物的繁殖也有很重要的影響[3]。因此，GH作為一個在提高動物生長速度、生長性能等方面研究的熱點遺傳標記已廣泛用于家畜和家禽生長發育的機理分析和生產性狀的改良，如提高家畜和家禽體重、產毛量、產乳量、飼料轉化率和瘦肉率等。

在驢GH基因研究方面，朱文進等[4，5]最早對驢GH基因進行測序，克隆了驢GH基因的DNA和cDNA的全序列，并分析了該序列和對應的氨基酸序列的特征及其在不同物種中的遺傳差異。朱文進等[6]克隆并分析了德州驢GH基因的DNA序列，認為GH基因在進化上非常保守。關學敏等[7]分析了我國7個家驢品種共174個體GH基因第二內含子的遺傳多樣性，首次證實驢GH基因內含子2存在多態性。

本研究通過對驢的GH基因序列進行生物信息學方面的分析，為進一步對GH基因的表達調控、基因多態性及其與生長速度、生產性能的相關性及分子進化等方面的研究提供必要的基礎，以期為合理利用家驢的遺傳資源，為培育優質、高效的肉用驢品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

試驗所使用的驢GH基因序列來自參考文獻[5]。

1.2 分析方法

采用DNAMAN 7.0軟件分析驢GH基因的密碼子使用情況以及各氨基酸位點的疏水性。

2 結果與分析

2.1 驢GH基因基本構成

驢GH基因的外顯子和內含子的大小構成情況見圖1。從圖1中可知，家驢GH基因共包含5個外顯子和4個內含子。第一個外顯子非常小，只有10 bp，這是不包括5′UTR在內的大小，是一個不完整的外顯子。第五個外顯子序列最長，為201 bp，但也只是到終止密碼子出現就結束了，不包括3′UTR，也是一個不完整的外顯子。5個外顯子在初始mRNA經內含子剪切成熟過程中會連接在一起，形成651 nt的CDS區序列。整個CDS區翻譯出216個氨基酸構成的多肽。

2.2 驢GH肽鏈各氨基酸位點疏水性

對驢GH基因編碼的216個氨基酸進行了疏水性統計分析，結果見圖2。從圖2中可知，多數位點的疏水性都在0以下，說明大多數氨基酸為親水性氨基酸。原始肽鏈的第4位到第24位氨基酸序列出現一個典型的疏水峰，很可能是構成該原始肽鏈的信號肽片段。

2.3 驢GH基因的密碼子使用情況分析

通過對驢GH基因密碼子使用情況進行分析，發現驢GH基因CDS區共翻譯出216個氨基酸構成多肽，其中共217個密碼子，包含1個終止密碼子UAG（圖3）。驢的GH基因中的氨基酸以亮氨酸所占的比例最高（13.89%，共出現30次），其次為丙氨酸（10.19%，共出現22次），最低的為色氨酸（0.93%，共出現2次）。

從圖3可以看出，除了UAA、UGA兩個終止密碼子未被使用外，亮氨酸的兩個密碼子（UUA和CUU）、異亮氨酸的兩個密碼子（AUU和AUA）、纈氨酸的兩個密碼子（GUU和GUA）、精氨酸的2個密碼子（CGU和CGA）、絲氨酸的1個密碼子（UCA）、脯氨酸的1個密碼子（CCA）、蘇氨酸的1個密碼子（ACU）、丙氨酸的1個密碼子（GCG）、組氨酸的1個密碼子（CAU）、天冬酰胺的1個密碼子（AAU）、甘氨酸的1個密碼子（GGU）也未被使用。而這幾種氨基酸都由其他密碼子進行編碼的，說明驢生長激素的編碼存在明顯的密碼子使用偏好。除這幾種明顯的密碼子使用偏好外，其余氨基酸的編碼也存在著較明顯的偏好。

從表1中可看出，密碼子3個位置各個核苷酸所占的比例差異較大，密碼子第一位以C和G所占比例最大（30%），U為最小（18%）；密碼子第二位以U和A所占比例最大（29%），G為最小（18%）；密碼子第三位以C所占比例最大（46%），A為最小（6%）。

3 討論

GH是一種具有廣泛生理功能的生長調節素，能影響動物機體幾乎所有類型的組織和細胞。其主要功能是刺激骨、軟骨細胞及免疫細胞的生長和分化，通過調節營養物質在肌肉和脂肪組織中的分配，促進蛋白質合成、脂肪分解等代謝并調節動物的生長發育和繁殖性狀[2，3，8-11]。朱文進等[4-6]對于驢GH基因進行了相關研究，本研究通過生物信息學技術分析驢GH基因的相關信息。核酸序列分析是生命科學研究中的重要部分。利用生物信息學對核酸序列的結構和功能進行研究，可以充分利用現有的核酸及蛋白質數據庫中的龐大資源，并能夠有效減少進一步試驗的盲目性。

本研究結果表明，驢最小GH基因第一、第五外顯子都不是完整的外顯子，有待進一步測序鑒定。5個外顯子連接在一起形成651 nt的CDS區序列。整個CDS區可翻譯出216個氨基酸構成的多肽。驢GH基因編碼的216個氨基酸多數位點的疏水性都在0以下，說明大多數氨基酸為親水性氨基酸，其構成的氨基酸鏈很可能是一種親水肽。原始肽鏈的第4位到第24位氨基酸序列出現一個典型的疏水峰，很可能是構成該原始肽鏈的信號肽片段。對GH多肽鏈進行跨膜區預測和信號肽預測時，可以看到該處存在明顯的跨膜和信號肽信息，明確了該處為信號肽序列。

本研究中驢GH基因密碼子，除UAA、UGA兩個終止密碼子外，還有UUA、CUU、AUU、AUA、GUU、GUA、CGU、CGA、UCA、CCA、ACU、GCG、CAU、AAU和GGU等密碼子未被使用。這些密碼子所編碼的氨基酸都由其他簡并密碼子進行編碼，這一現象說明驢生長激素基因的編碼存在明顯的密碼子使用偏好。當然，除這幾種明顯的密碼子使用偏好外，其余氨基酸的編碼也存在著較明顯的偏好。密碼子3個位置各核苷酸所占的比例差異較大，密碼子第一位以C和G所占比例最大（30%），U為最小（18%）；密碼子第二位以U和A所占比例最大（29%），G為最小（18%）；密碼子第三位以C所占比例最大（46%），A為最小（6%）。這一密碼子各位置堿基的分布比例，也可以反映出密碼子出現偏好的原因，因為如果不存在明顯的偏好，各位置堿基比例應該接近25%，也就是說AUCG 4個堿基在密碼子第一、二、三位都應該平均分布。

4 小結

本研究分析發現，驢GH基因共包含5個外顯子和4個內含子。5個外顯子連接形成651 nt的CDS區序列，整個CDS區翻譯出216個氨基酸構成的多肽。驢GH基因編碼的216個氨基酸中，大多數氨基酸為親水性氨基酸。原始肽鏈的第4位到第24位氨基酸序列出現一個典型的疏水峰，經分析認為是該原始肽鏈的信號肽片段。驢GH基因中的氨基酸以亮氨酸所占的比例最高（13.89%，共出現30次），其次為丙氨酸（10.19%，共出現22次），最低的為色氨酸（0.93%，共出現2次）。驢生長激素的編碼存在明顯的密碼子使用偏好。

參考文獻：

[1] 謝成俠.中國馬驢品種志[M].上海：上海科技出版社，1987.

[2] 孫 遜，朱尚權.生長激素的結構與功能[J].國外醫學生理、病理科學與臨床分冊，1999，19（1）：6-9.

[3] HULL K L，HARVEY S.Growth hormone： Roles in female reproduction[J].J Endorinol，2001，168：1-23.

[4] 朱文進.中國大、中型驢種遺傳多樣性分析及其生長激素基因序列的測定[D].山西太谷：山西農業大學，2005.

[5] 朱文進，陳 娟，關學敏，等.驢生長激素基因的克隆與分析[J].中國農業科學，2011，44（3）：579-586.

[6] 朱文進，蘇詠梅，關學敏，等.德州驢生長激素基因的克隆與序列分析[J].中國農學通報，2011，27（3）：329-332.

[7] 關學敏，朱文進，蘇詠梅.中國家驢生長激素基因內含子2的遺傳多樣性分析[J].畜牧獸醫學報，2011，42（6）：880-884.

[8] 馬細蘭，張 勇，黃衛人，等.尼羅羅非魚生長激素及其受體的cDNA克隆與mRNA表達的雌雄差異[J].動物學報，2006，52（5）：924-933.

[9] BURTON J L， MCBRIDE B W， BLOCK E， et al. A review of bovine growth hormone[J]. Canadian Journal of Animal Scienc，1994，74：167-201.

[10] FORSYTH I A， WALLIS M. Growth hormone and prolactin-molecular and functional evolution[J]. Journal of Mammary Gland Biology and Neoplasia，2002，7：291-311.

[11] 李長春，傅 田，強巴央宗，等.藏雞和隱性白羽雞GH基因的SNP檢測及其與生長性狀間的關聯分析[J].中國農業科學，2005，38（22）：2327-2332.