綿羊PTGER3基因生物信息學分析

[摘 要] PTGER3基因編碼前列腺素E2受體EP3，屬于膜蛋白家族一員，主要功能是降低平滑肌的興奮性。本文以GenBank中報道的綿羊PTGER3基因mRNA序列和氨基酸序列為基礎，用生物信息學軟件預測其結構，并初步探討綿羊PTGER3基因的生物學功能。結果表明，所獲得的綿羊PTGER3基因序列中包含一個最大的開放閱讀框，其長度為1 239 bp，是由412個氨基酸組成；PTGER3蛋白分子質量45 568.48 Da；PTGER3基因編碼產物的二級結構主要以α螺旋和β折疊為主，推測編碼產物是非酶類的蛋白質，在細胞中主要是調控離子通道表達生物學功能，在生物體中主要參與細胞中輔酶因子的生物合成，中間產物的代謝和能量代謝。

[關鍵詞] 綿羊；PTGER3基因；生物信息學

[中圖分類號] S826；Q78 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）11-52-4

前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）是一種二十碳不飽和脂肪酸。目前，畜牧生產上將該激素主要用作待產母畜的催產素，在同期發情技術上也有應用。實際上，前列腺素E2在體內分布廣泛，不僅僅是參與機體平滑肌的收縮，還參與炎癥反應的炎性遞質，干細胞增殖分化，而且在骨組織形成與改建過程中也有非常重要的調節作用[1]。前列腺素E受體3基因（Prostaglandin E receptor 3，PTGER3）編碼前列腺素E2受體EP3蛋白[2]。EP3蛋白是前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）的受體中的一種亞型，屬于G蛋白偶聯受體家族（G-protein coupled receptors，GPCRs）[3]。G蛋白偶聯受體家族的成員龐大，主要通過結合和調節細胞G蛋白活性完成細胞內信號傳遞，是細胞重要的代謝門控。此外，部分GPCRs參與細胞增殖轉化炎癥變態等機體反應，具有重要的生物學意義[3-5]。根據G蛋白偶聯信號傳導理論，前列腺素E2需要與前列腺素E2受體EP3蛋白結合，EP3蛋白與多種G蛋白偶聯，才能將細胞外信號轉為細胞內信號。

本試驗利用生物信息學相關網頁和軟件對綿羊的PTGER3基因進行理論分析，預測綿羊PTGER3基因及其編碼蛋白的結構和功能，對實際生產科學應用前列腺素E2提供指導，為下一步羊的PTGER3基因重組實驗提供幫助，為未來PTGER3基因檢測技術對綿羊進行選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗序列材料來源于美國國家生物信息中心（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/），下文簡稱為NCBI。本研究選用綿羊（XM_012173631.2）、山羊（XM_018045482.1）、牛（NM_181032.1）、人（XM_011541810.2）、家鼠（XM_011240037.1）、狗（NM_001002958.1）、豬（XM_013988866.1）和雞（NM_001040468.1）8個物種的mRNA序列。括號內為NCBI中的GenBank數據庫的登錄號。

1.2 試驗方法

綿羊PTGER3基因開放閱讀框（Open reading frame，ORF）利用NCBI網頁中的ORF Finder程序對其mRNA序列進行識別預測分析；PTGER3基因編碼產物的理化性質采用ExPASy在線預測（http：//www.expasy.org/）；對編碼產物的位置分布采用PSORTⅡ亞細胞定位（http：//www.genscript.com/psort/psort2.html）分析預測；編碼產物結構功能分析采用是ProtFun網頁（http：//www.cbs.dtu.dk/services/ProtFun）預測；跨膜區域預測分析采用信號肽網頁在線分析（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）；二級結構采用Jpred網頁預測（http：//www.compbio.dundee.ac.uk/www-jpred/）；利用DNAMAN軟件對試驗序列的同源性進行分析比較。

2 結果與分析

2.1 綿羊PTGER3基因的ORF分析

開放閱讀框（Open reading frame，ORF）是一段可編碼蛋白質的，中間無終止序列打斷從啟動子到終止子的堿基序列。通過識別ORF可以快速識別出基因序列中的編碼區域。圖1為綿羊PTGER3基因的開放閱讀框的結果，可知此序列中共識別有12個開放閱讀框，其中最大的開放閱讀框長度為1 239 bp，分析是由412個氨基酸構成了該編碼產物的。

2.2 綿羊PTGER3基因編碼產物序列同源性分析

由圖2可以看出，研究對照的8個物種中均表達有PTGER3基因。尤其綿羊、牛的序列同源性高，因此推測這2個物種的親緣關系較近。根據圖3的PTGER3基因編碼產物的系統發育樹可以看出，綿羊、牛同源性遠高于其他物種，其親緣相似性到達了99%；此外，綿羊與山羊的系統發育的距離很近，其親緣相似性達到了92%。

2.3 綿羊PTGER3基因編碼產物的理化性質分析

氨基酸是蛋白質的基本組成單位，圖4是預測綿羊PTGER3基因編碼產物的氨基酸組成的分析圖，結果表明，其編碼產物的理論分子量約為45 568.48 Da，其等電點為9.49，編碼的421個氨基酸中，含有色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸，可知該編碼產物可以利用280 nm的光吸收值進而預測分析溶液中的蛋白含量。此外，從氨基酸組成上發現，脂質類氨基酸占全部氨基酸的51.8%，其中脂肪族類∶芳香族類為190∶67。該蛋白還富有羥基和含硫氨基酸，所占比例分別為16.8%和7.3%。

2.4 綿羊PTGER3基因編碼產物亞細胞定位分析

綿羊PTGER3基因編碼產物的亞細胞定位結果如表1所示，PTGER3基因編碼產物主要表達在內質網中，其可能性為66.7%，同時在高爾基體、線粒體、細胞質基質的分布概率均占11.1%。由此可以推斷該基因產物作用比較專一，在細胞中的內質網、高爾基體、細胞質基質、線粒體中發揮生物學作用，可能參與調控細胞中輔助因子合成、中間代謝產物的合成以及能量代謝的生命活動。

2.5 綿羊PTGER3基因編碼產物結構功能預測與分析

結構域是二級蛋白序列片段經過盤曲折疊形成的超二級結構，不同的結構域具有不同的特定的功能作用。通過分析PTGER3編碼產物的結構域的特點可有效預測基因PTGER3編碼產物的功能。從表2可得知，PTGER3主要具有調控功能、輔助因子生物合成、能量代謝和代謝中間產物的功能，可能性分別為0.530、0.133、0.087和0.046，由此推斷PTGER3作為運載體在信號傳導、能量調控和分泌蛋白轉錄和翻譯中發揮重要調節作用。

2.6 綿羊PTGER3基因編碼產物信號肽預測與分析

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一段富含疏水氨基酸多肽的序列。通過檢測綿羊PTGER3基因編碼產物信號肽的存在情況，可以得知編碼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。由圖5可知，綿羊PTGER3蛋白氨基酸C值為1，Y值為1，S值為1。表明PTGER3基因的編碼產物不存在信號肽，是非分泌性蛋白；未發現跨膜區，該蛋白是非跨膜蛋白。

2.7 綿羊PTGER3基因編碼產物二級結構的預測與分析

Jpred是一款利用已知氨基酸序列推測其蛋白二級結構的網絡服務系統。通過預測綿羊PTGER3基因產物的二級結構，分析后結果如圖6所示。綿羊PTGER3基因編碼產物從N端的第50個氨基酸才開始出現二級結構，即第50位的絲氨酸處形成第一個α螺旋結構。PTGER3蛋白二級結構按照αααααββαααααααα順序排列，其中共由13個α螺旋、2個β折疊。

3 討論

本試驗選取登記在NBCI數據庫中豬、馬、牛、山羊和綿羊等物種的PTGER3基因序列，利用生物信息學方法對綿羊PTGER3基因分析其編碼蛋白結構和功能。生物信息學是利用數學方法處理和分析生物數據，基于人們現有對分子生物學的認識和構建生物模型，進而分析其生物學特性的方法。如根據不同核糖核苷酸序列估計其氨基酸組成、蛋白的結構和功能等。利用基因數據庫和生物信息學方法系統分析相關基因及其編碼產物，是當前功能基因組學的重要研究手段。其明顯優于過去的單一基因研究模式，可以在基因組、分子的水平對基因的表達調控網絡機制進行系統全面的分析[6]。

4 結論

①研究結果顯示，在系統發育樹中，綿羊、牛和山羊的PTGER3基因的同源性高于其他物種。

②通過分析綿羊的PTGER3基因序列編碼產物的氨基酸的組成，得知分子量為45 568.48 Da，其等電點為9.46，是堿性蛋白質。

③預測顯示編碼產物是非酶非跨膜非分泌蛋白質，并根據組成的各類氨基酸分子理化性質和比例關系，推測該編碼產物是分布于細胞膜表面，通過調控離子通道達到調節生理功能的作用。

④通過對其氨基酸序列的結構域的特點，預測在生物體中該蛋白的生理功能是主要參與細胞中輔酶因子的生物合成、中間產物的代謝和能量代謝。

參考文獻

[1]李劼若，鄧思遠，侯輝歌，等.前列腺素E2調控骨髓間充質干細胞成骨分化最佳濃度及其效應基因[J].中國組織工程研究，2014（14）：2147-2152.

[2]張迪.PTGER3基因多態性與精神分裂癥的關聯性研究[D].長春：吉林大學，2009.

[3]趙荷雅.前列腺素受體EP3的結構與功能研究[D].長春：吉林大學，2013.

[4]趙玉華.G蛋白偶聯受體的研究進展[J].國外醫學（分子生物學分冊），2002（5）：302-305.

[5]侯永豐，李通化.HMM用于G蛋白偶聯受體超家族的識別[J].同濟大學學報（自然科學版），2004（12）：1696-1700.

[6]滕玉鷗，宋彬彬，郭茜楠，等.前列腺素E-2受體EP-3及其調節劑的研究進展[J].天津科技大學學報，2014（1）：1-6.