小飛鼠NADH脫氫酶亞基1基因（ND1）的生物信息學分析

摘要：NADH脫氫酶亞基1（ND1）是線粒體膜呼吸鏈NADH脫氫酶（復合物Ⅰ）的核心亞基，其作用是將電子從NADH轉移到呼吸鏈，為研究小飛鼠（Pteromys volans）ND1基因的功能，利用生物信息學方法對ND1的理化性質、親水/疏水性、二級結構、三級結構、跨膜結構、蛋白質修飾位點及同源性等進行了分析和預測。結果表明，ND1基因共編碼318個氨基酸，是穩定親水蛋白，蛋白質二級結構主要為α-螺旋和無規則卷曲，其次為延伸鏈;與其他18種動物的ND1氨基酸序列進行對比，發現小飛鼠與黑白飛鼠（Hylopetes alboniger）親緣關系較近。

關鍵詞：小飛鼠（Pteromys volans）;NADH脫氫酶亞基1;呼吸鏈;生物信息學

中圖分類號：Q75 " " " " 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2022）03-0161-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2022.03.033 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Bioinformatics analysis of NADH dehydrogenase subunit 1 （ND1） gene in Pteromys volans

LIAN Ming-dong， CHEN Hong， YANG Meng-ping， TIAN Xin-min

（College of Life Science and Technology， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang "157011，Heilongjiang，China）

Abstract： NADH dehydrogenase subunit 1 is the core subunit of the mitochondrial membrane respiratory chain NADH dehydrogenase （Complex I） that functions in the transfer of electrons from NADH to the respiratory chain. To obtain the information of ND1 gene in Pteromys volans， bioinformatics methods were used in this article to analyze ND1 in there areas： physicochemical properties of ND1， hydrophilic/hydrophobic properties， secondary structure， tertiary structure， transmembrane structure， protein modification sites and homology of ND1 in Pteromys volans. The results in this research indicated that 318 amino acids were found in ND1 gene， which was a stable hydrophilic protein. The main secondary structure of ND1 protein was α-helix， random coil and extended strand. The siberian flying squirrel （Pteromys volans） and the particolored flying squirrel （Hylopetes alboniger） were found to be more closely related by compaired the ND1 gene in the siberian flying squirrel with 18 other animal species.

Key words： Pteromys volans;NADH dehydrogenase subunit 1;respiratory chain;bioinformatics

小飛鼠（Pteromys volans）隸屬于松鼠科飛鼠屬，是一種夜行樹棲嚙齒動物[1]。其外形與松鼠相似，但體側長有翼膜可以在樹木之間滑翔[2]。主要分布于中國東北、華北和西北林區，因對生境的要求較高，所以常作為傘護種而備受關注，現在已被列入中國脊椎動物紅色名錄——易危（VU）和世界自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄——無危（LC）[3-5]。

細胞是生物體結構和功能的基本單位，線粒體是需氧細胞產生ATP的主要部位，細胞內的糖、脂肪、氨基酸等通過各自的分解途徑，最終在線粒體氧化釋放能量[6]。電子傳遞過程中釋放出大量的自由能使ADP磷酸化生成ATP，NADH脫氫酶（NADH dehydrogenase）就是電子傳遞鏈上的重要組成部分，簡稱為復合體Ⅰ（Complex Ⅰ）[7]。該酶先與NADH結合并將NADH上的兩個高勢能電子轉移到FMN（Flavin mononucleotide）輔基上，使NADH氧化成NAD+，并使FMN還原成FMNH2，是電子傳遞的第一步，而ND1是NADH脫氫酶7個亞基中的一個[8，9]。以此為研究對象，利用生物信息學的方法分析其理化性質、二級結構、三級結構、蛋白質修飾位點以及同源性等，從而為研究小飛鼠ND1的功能提供參考，并希望加強對小飛鼠的保護意識。

1 材料與方法

1.1 基因序列的獲取

在美國國家生物技術信息中心（NCBI）DNA序列數據庫中查找獲得小飛鼠NADH脫氫酶亞基1（ND1）基因的全長及編碼序列（CDS）（GeneID：14049268）。用BLAST搜索軟件進行同源性基因檢索，篩選出與小飛鼠同屬嚙齒目下的物種序列，以及非嚙齒目物種作為對照參考。最終下載以下幾種動物的ND1基因序列：白麗松鼠（Callosciurus albescens，KY410906.1）、橙腹長吻松鼠（Dremomys lokriah，KY410877.1）、珀氏長吻松鼠（Dremomys pernyi，KY410881.1）、黑白飛鼠（Hylopetes alboniger，KX710106.1）、水羚（Kobus ellipsiprymnus，JN632651.1）、喬氏貓（Leopardus geoffroyi，KP202292.1）、南象海豹（Mirounga leonina，AY377353.1）、小家鼠（Mus musculus，KF937876.1）、葛氏鼠兔（Ochotona sp.，MN547460.1）、紅白鼯鼠（Petaurista alborufus，JQ743657.1）、東美灰松鼠（Sciurus carolinensis，LR822069.1）、西美灰松鼠（Sciurus griseus，NC_050034.1）、北亞馬遜紅松鼠（Sciurus igniventris，NC_050027.1）、日本松鼠（Sciurus lis，NC_050033.1）、狐松鼠（Sciurus niger，KY411003.1）、馬尾松鼠（Sundasciurus hippurus，KY410949.1）、尤因塔花栗鼠（Tamias umbrinus，KY070193.1）、倭花鼠（Tamiops maritimus，KY410970.1）。

1.2 分析方法

小飛鼠ND1基因編碼蛋白的生物信息學分析軟件及網站如表1所示。

2 結果與分析

2.1 小飛鼠ND1的理化性質

利用Protparam程序預測分析小飛鼠ND1基因編碼蛋白質的理化特性，結果表明，ND1基因編碼318個氨基酸，分子式為C1685H2632N380O423S20，分子質量為35622.92 Da，總原子數為5 140。理論等電點為8.52，為堿性蛋白質，負電荷殘基總數（Asp+Glu）為13，正電荷殘基總數（Arg+Lys）為15，不穩定指數（instability index，Ⅱ）為39.86，將該蛋白質歸類為穩定蛋白。該蛋白中亮氨酸（Leu）含量最高占比18.2%，其次為丙氨酸（Ala）和蘇氨酸（Thr）均占9.1%（圖1），脂肪系數為124.62。

根據Protscale預測分析小飛鼠ND1蛋白的親水/疏水性得出，該蛋白最大值為3.278，最小值為 " "-2.022，為親水蛋白（圖2）。

2.2 編碼蛋白質二級結構和三級結構預測分析

利用Prabi預測分析小飛鼠ND1基因編碼蛋白的二級結構，發現該蛋白中38.68%可能形成α-螺旋（Hh）、23.90%可能形成延伸鏈（Ee）、37.42%可能形成無規則卷曲（Cc）（圖3）。

用SWISS-MODEL預測小飛鼠ND1蛋白的三級結構（圖4），主要構件為α-螺旋和無規則卷曲。

2.3 編碼蛋白質的N-糖基化位點預測分析

利用NetNGlyc 1.0 Server預測小飛鼠ND1蛋白的N-糖基化位點。結果發現該蛋白中有1個潛在的N-糖基化位點，為157NGSF，其位置如圖5所示。

2.4 編碼蛋白質的信號肽跨膜區預測分析

利用SignalP-5.0預測分析小飛鼠ND1蛋白的信號肽，結果如圖6所示，有信號肽的可能性為0.335，其切割位點位于第18個、第19個氨基酸之間。

2.5 跨膜結構域預測分析

利用TMHMM軟件預測小飛鼠ND1蛋白跨膜區域結構，結果如圖7所示，該基因編碼產物存在8個很典型的跨膜螺旋結構。

2.6 磷酸化位點預測分析

利用NetPhos3.1 Server軟件預測分析小飛鼠ND1基因編碼產物的磷酸化位點，結果如圖8所示，該基因的編碼產物存在27個磷酸化位點，其中包括絲氨酸（S）11個、蘇氨酸（T）12個以及酪氨酸（Y） " " 4個，酪氨酸主要分布在第30、127、215、228氨基酸處。

2.7 氨基酸序列的同源性

在NCBI數據庫中分別下載18種動物的ND1序列，與小飛鼠ND1氨基酸序列進行同源性分析，結果如圖9所示，小飛鼠與黑白飛鼠親緣關系較近，其次為紅白鼯鼠，表明小飛鼠符合鼯鼠族的分類地位。

3 小結與討論

本研究選用的ND1基因來自嚙齒類的小飛鼠，該物種的ND1基因共編碼318個氨基酸，亮氨酸含量最多，屬于穩定的親水蛋白。與四川黑熊（Ursus thibetanus mupinensis）的ND1基因編碼蛋白的317個氨基酸相比較，熊的ND1蛋白等電點為7.83，同屬于堿性氨基酸[10]。ND1是NADHdh超基因家族的成員，是一種較為保守的基因，由其表達的蛋白在結構和功能上也比較穩定，二級結構以α-螺旋和無規則卷曲結構為主。本研究發現小飛鼠ND1蛋白有1個潛在的N-糖基化位點和27個磷酸化位點，含有信號肽以及8個跨膜結構。在同源性分析中選取18種其他物種的ND1序列與小飛鼠比對，經MEGA7分析，小飛鼠ND1與黑白飛鼠親緣關系較近，而與非松鼠亞科的物種親緣關系較遠。以上結果為進一步研究小飛鼠ND1基因功能提供了一定的理論基礎。

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