豬KCNJ13基因編碼蛋白生物信息學(xué)分析

張生偉，王 偉，王鵬飛，高小莉，楊巧麗，滾雙寶

（1.甘肅省農(nóng)民教育培訓(xùn)工作總站，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道蛋白13（potassium voltagegated channel subfamily J member 13，KCNJ13）是內(nèi)向整流鉀通道（inwardly rectifying potassium，Kir）超家族成員之一[1,2]，該基因編碼的蛋白被稱為Kir7.1，它是一種低電導(dǎo)通道，主要表達(dá)于上皮組織中[3]，包括腸上皮細(xì)胞、甲狀腺濾泡細(xì)胞和近、遠(yuǎn)曲小管上皮細(xì)胞的基底外側(cè)膜[4,5]。研究發(fā)現(xiàn)，Kir7.1能夠控制光感受器與視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞（RPE）之間的微環(huán)境[6]，在子宮[7]、大腦[8]、腭[9]等器官中發(fā)揮著重要功能。KCNJ13基因突變與許多疾病的發(fā)生密切相關(guān)，例如，KCNJ13突變會(huì)導(dǎo)致人的玻璃體視網(wǎng)膜變性[10]，Perez等[11]和Khan等[12]研究表明，KCNJ13突變可引發(fā)人早期視網(wǎng)膜營養(yǎng)不良性白內(nèi)障的發(fā)生。

目前針對(duì)KCNJ13基因的研究還不夠深入，大多集中在人和小鼠上，而對(duì)豬KCNJ13基因的研究鮮有報(bào)道。本文運(yùn)用生物信息學(xué)分析方法對(duì)豬KCNJ13基因序列特征和生物學(xué)功能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為開展豬KCNJ13基因生物學(xué)功能的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 豬KCNJ13基因序列分析

從GenBank數(shù)據(jù)庫中獲得豬KCNJ13基因（NC_010457.5）序列及氨基酸序列，同時(shí)獲得人、牛、綿羊、大鼠、小鼠、犬、海豚、雞、黑猩猩、馬、斑馬魚等物種KCNJ13氨基酸序列，并進(jìn)行同源性分析；利用MEGA7.0軟件進(jìn)行序列比對(duì)并構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。

1.2 豬KCNJ13基因生物信息學(xué)分析

利用NCBI、ExPASy等公共數(shù)據(jù)庫及在線軟件程序進(jìn)行豬KCNJ13基因生物信息學(xué)分析。運(yùn)用NCBI的ORF Finder程序分析豬KCNJ13編碼蛋白開放閱讀框；利用ExPASy中ProtParam程序?qū)Φ鞍桌砘再|(zhì)進(jìn)行分析；采用SOPMA程序預(yù)測(cè)豬KCNJ13氨基酸序列二級(jí)結(jié)構(gòu)；運(yùn)用（Conserved Domain Database，CDD）程序?qū)Φ鞍妆Ｊ亟Y(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析以及使用TMHMM程序?qū)Φ鞍卓缒そY(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬KCNJ13基因序列分析

KCNJ13基因位于豬的第15號(hào)染色體，基因全長9 788 bp，含3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子。序列中存在1 083 bp的開放閱讀框，起始密碼子位于368 bp處，終止密碼子位于1 450 bp處，共編碼360個(gè)氨基酸。

2.2 同源性分析

KCNJ13編碼蛋白序列同源性分析發(fā)現(xiàn)，豬與人、牛、綿羊、大鼠、小鼠、犬、海豚、雞、黑猩猩、馬、斑馬魚氨基酸序列相似性分別為96%、94%、93%、92%、92%、97%、97%、73%、96%、96%和69%；由KCNJ13基因系統(tǒng)進(jìn)化樹（見圖1）可見，豬親緣關(guān)系最近的是馬，親緣關(guān)系較近的是海豚、犬、綿羊和牛，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的是斑馬魚和雞。

圖1 不同物種系統(tǒng)進(jìn)化樹

2.3 豬KCNJ13編碼蛋白理化性質(zhì)預(yù)測(cè)

豬KCNJ13編碼蛋白序列由360個(gè)氨基酸組成，分子量為40 455.60，分子式為C1827H2831N477O523S19，共有5 677個(gè)原子。帶負(fù)電荷的氨基酸殘基數(shù)（36）大于帶正電荷氨基酸殘基數(shù)（28），理論等電點(diǎn)（pI）為5.76，偏酸性。預(yù)測(cè)不穩(wěn)定系數(shù)為37.63，表明KCNJ13編碼蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在組成KCNJ13編碼蛋白的20種氨基酸中，亮氨酸最多，所占比例為11.1%，色氨酸最少，所占比例為1.4%（見圖2）。

圖2 KCNJ13各種氨基酸殘基含量

2.4 豬KCNJ13編碼蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

豬KCNJ13編碼蛋白有145個(gè)氨基酸殘基組成的無規(guī)則卷曲，占整個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的40.28%，是KCNJ13二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成；α-螺旋由120個(gè)氨基酸殘基（占33.33%）組成；延伸鏈和β-轉(zhuǎn)角分別由76和19個(gè)氨基酸殘基（分別占21.11%和5.28%）組成（見圖3）。

圖3 豬KCNJ13二級(jí)結(jié)構(gòu)

2.5 豬KCNJ13編碼蛋白亞細(xì)胞定位分析

通過亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)，有39.1%的可能性分布在線粒體，有34.8%的可能性分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)?？梢酝茢?，豬KCNJ13編碼產(chǎn)物主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中發(fā)揮生物學(xué)作用，部分存在于細(xì)胞核中（見圖4）。

圖4 KCNJ13亞細(xì)胞定位

2.6 豬KCNJ13編碼蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域及保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)

由圖5可見，該基因編碼產(chǎn)物有兩段跨膜螺旋（TMHs），分別在第57～79位氨基酸和第135～157位氨基酸之間。第1～56和158～360位氨基酸在細(xì)胞膜內(nèi)，第80～134位氨基酸在細(xì)胞膜外。跨膜螺旋區(qū)（Exp AAs）預(yù)測(cè)值為48.638。此外，KCNJ13編碼蛋白在第21～331位氨基酸殘基之間有一個(gè)IRK結(jié)構(gòu)域。該結(jié)構(gòu)域?qū)儆贗on_trans_2超家族，具有內(nèi)向整流鉀離子通道作用（見圖6）。

圖5 KCNJ13跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)

圖6 KCNJ13保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)

3 討論

豬KCNJ13基因是鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道蛋白亞家族J成員13，位于第15號(hào)染色體，含有3個(gè)外顯子，2個(gè)內(nèi)含子。該基因序列存在1 083 bp的開放閱讀框，共編碼360個(gè)氨基酸。氨基酸同源性分析表明，豬與人、犬、海豚、黑猩猩、馬的氨基酸序列相似性較高，分別為96%、97%、97%、96%和96%，與雞和斑馬魚相似性較低，為73%和69%，利用Mega7.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹發(fā)現(xiàn)，豬與馬的親緣關(guān)系最近，與雞和斑馬魚較遠(yuǎn)。這與動(dòng)物學(xué)分類結(jié)果一致，而且較高同源性也反映了KCNJ13的編碼蛋白在不同物種上的穩(wěn)定性較好[13]。

豬KCNJ13編碼蛋白分子量為40 455.60，帶負(fù)電荷，理論等電點(diǎn)為5.76，偏酸性。預(yù)測(cè)不穩(wěn)定系數(shù)為37.63，表明該蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。二級(jí)結(jié)構(gòu)中無規(guī)則卷曲占整個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的40.28%，是KCNJ13二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成。保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)該蛋白有一個(gè)IRK保守結(jié)構(gòu)域，屬于Ion_trans_2超家族，而且該蛋白主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中發(fā)揮生物學(xué)作用。KCNJ13基因編碼蛋白有兩段TMHs，分別在第57～79位氨基酸和第135～157位氨基酸之間，其中第1～56和158～360位氨基酸在細(xì)胞膜內(nèi)，第80～134位氨基酸在細(xì)胞膜外。研究表明Exp AAs值大于18時(shí)說明預(yù)測(cè)蛋白為跨膜蛋白[14]，因此，KCNJ13編碼的蛋白為跨膜蛋白。

本研究通過對(duì)豬KCNJ13基因生物信息學(xué)分析，運(yùn)用生物信息學(xué)和數(shù)量科學(xué)的觀點(diǎn)、方法和理論對(duì)該基因編碼氨基酸序列功能及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可信度高，具有現(xiàn)實(shí)意義，可為進(jìn)一步研究豬KCNJ13基因生物學(xué)功能提供參考。

4 結(jié)論

豬KCNJ13基因共編碼360個(gè)氨基酸，分子量為40 455.60，理論等電點(diǎn)為5.76，帶負(fù)電荷，偏酸性。二級(jí)結(jié)構(gòu)以無規(guī)卷曲為主，主要定位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。該蛋白有一個(gè)IRK保守結(jié)構(gòu)域，屬Ion_trans_2超家族，有兩段跨膜螺旋。這些預(yù)測(cè)結(jié)果可為深入研究豬KCNJ13基因功能及有關(guān)疾病的診斷提供理論依據(jù)，具有重要的參考價(jià)值。