焦丹，刘秀，李少斌，王继卿，闫伟，李文浩，罗玉柱

(甘肃省草食动物生物技术重点实验室，甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州　730070)



绵羊BMPR1B基因的生物信息学分析

焦丹，刘秀，李少斌，王继卿，闫伟，李文浩，罗玉柱

(甘肃省草食动物生物技术重点实验室，甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州730070)

【目的】 利用生物信息学软件对绵羊BMPR1B基因进行分析，并了解其功能和结构，为进一步探讨BMPR1B基因在绵羊生长繁殖以及绵羊卵泡生长和分泌和产羔率等研究奠定遗传信息基础.【方法】 利用生物信息学对绵羊骨形态发生蛋白1β(bone morphogenetic protein 1 beta,BMPR1B)基因的蛋白理化性质、亚细胞定位、潜在信号肽剪切位点、蛋白跨膜螺旋结构、糖基化和磷酸化位点、蛋白保守结构域、亲疏水性和编码产物进行功能预测分析，及其编码蛋白的二级结构和三级结构等进行分析预测.【结果】 绵羊BMPR1B基因CDs编码蛋白质的502个氨基酸残基中，带电荷氨基酸、疏水氨基酸和极性氨基酸含量较高.相对分子量为56 907.4 U，理论等电点pI为7.78；亚细胞主要定位于细胞核，不属于分泌蛋白；无信号肽序列；预测含有32个磷酸化位点和2个糖基化位点；存在一段跨膜结构且分别有一个GS和S-TKc的结构域，二级结构以无规卷曲为主.预测该蛋白在翻译和脂肪代谢过程中有着重要意义.【结论】 绵羊BMPR1B蛋白包含502个氨基酸，为细胞核合成蛋白，该蛋白翻译后修饰的主要方式是磷酸化，在细胞内主要行翻译和脂肪代谢作用.蛋白二级结以无规卷曲为主，三级结构主要由α螺旋和无规卷曲缠绕折叠形成.

绵羊；骨形态发生蛋白1β基因；生物信息学

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)是20世纪60年代发现存在于骨基质中的可诱导骨形成的活性蛋白[1]，属于转化生长因子β(transforming growth factor β，TGFβ)超家族，BMPs通过与骨形态发生蛋白受体(Bone morphogenetic protein receptor，BMPR)结合发挥功能作用，促进软骨和骨组织形成[2]，调节细胞的增殖、分化、迁移、凋亡、细胞支持以及胚胎发育等[3].骨形态发生蛋白受体分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型分别编码BMPR1A、BMPR1B和ACVR1A受体[4]，2种Ⅰ型的BMP信号传导受体BMPR1A和BMPR1B共同作用预防卵巢肿瘤[5].骨形态发生蛋白(BMP)是TGF-β信号转导通路的一部分，其遗传多态性可能与结直肠癌具有相关性[6]，由于BMPR1B基因编码一个TGF亚基受体成员，因此具有与TGF受体分子类似的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构和信号传导机制[7].

BMPR1B基因作为增加排卵率的主效基因最先发现于Booroola‘美利奴羊’[8].之后也发现，该基因具有影响卵泡颗粒细胞分化和卵泡发育、促进排卵等作用[9，10]，BMPR1B基因主要表达于与绵羊繁殖有关的器官和组织中，如卵巢、睾丸、子宫和前列腺，在脑、骨骼肌和肾脏中也有表达[11].王启贵[12]和闫亚东等[13]研究发现，体内存在该基因突变的‘湖羊’和‘小尾寒羊’，其繁殖力高于其他绵羊品种.姚玉昌[14]等对‘东北半细毛羊’和‘夏洛莱羊’研究发现BMPR1B基因突变型群体其排卵数显著高于未突变型.而冯利君[15]等研究发现，‘策勒黑羊’BMPR1B基因上的突变对母羊的雌二醇和孕酮分泌水平没有影响.

目前，BMPR1B基因的研究主要集中在绵羊、牛和猪的繁殖性状和生产性状的遗传效应上，蛋白在机体各组织中广泛表达，其核苷酸序列已经公布，但国内外尚无对绵羊BMPR1B基因及其结合蛋白的报道研究.本文通过对绵羊BMPR1B基因进行生物信息学分析，预测分析该基因的蛋白理化性质、基因的结构和功能，为该基因在分子水平上的研究提供基础数据.

1　材料与方法

1.1序列来源

基因序列来源于NCBI的GeneBank数据库，登录号：NC_019463.1.

1.2研究方法

绵羊BMPR1B蛋白理化性质分析采用DNAstar及ProtParam软件分析预测；亚细胞定位采用TargetP预测；蛋白潜在信号肽剪切位点采用SignalP 4.0软件；利用TMPRED和TMHMM 2.0对蛋白跨膜螺旋结构进行分析预测；利用NetPhos 2.0和NETOGlyc 3.1软件对蛋白潜在磷酸化位点和糖基化位点进行分析；蛋白保守结构域分析采用Smart软件；ProtScale进行蛋白亲疏水性分析；Protfun分析预测蛋白功能；采用Hopfield软件分析蛋白二级结构，Swiss-model软件分析蛋白三级结构.

2　结果与分析

2.1绵羊BMPR1B蛋白理化性质

运用DNAstar软件分析预测发现，绵羊BMPR1B基因CDs编码蛋白质的502个氨基酸残基中，有63 个碱性氨基酸(K，R)，占氨基酸总数的12.55%；61个酸性氨基酸(D，E)，占氨基酸总数的12.15%；150个疏水氨基酸(A，I，F，W，V)，占氨基酸总数的29.88%；141个极性氨基酸(N，C，Q，S，T，Y)，占氨基酸总数的28.09%；176个带电荷氨基酸(R，K，H，Y，C，D，E)，占氨基酸总数的35.06%.

采用网上ProtParam预测绵羊BMPR1B蛋白的理化性质，得出编码的502个氨基酸其分子量为56 907.4 u，理论等电点pI为7.78；在组成BMPR1B蛋白的20种氨基酸中，Leu所占比例最高，达到10.0%，而Trp含量最低，为1.4%.

2.2绵羊BMPR1B蛋白亚细胞定位

运用TargetP软件对蛋白亚细胞定位结果见表1.绵羊BMPR1B蛋白的亚细胞分布在细胞核的可能性为47.8%，分布于线粒体的可能性为21.7%，分布于细胞质、囊泡分泌系统和质膜的可能性均为8.7%，分布于过氧化物酶的可能性为4.3%.由此推断，绵羊BMPR1B基因主要在细胞核中发挥生物学作用，部分存在于线粒体中.

表1　绵羊BMPR1B基因蛋白亚细胞定位分析结果Tab.1　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein subcellular localization

2.3绵羊BMPR1B蛋白潜在信号肽剪切位点预测

利用SignalP 4.0软件对绵羊BMPR1B基因蛋白潜在信号肽剪切位点的分析预测可直观看出该基因氨基酸的score(图1).根据分析预测可知，绵羊BMPR1B基因蛋白N端信号肽结构在BMPR1B氨基酸序列中不存在剪切位点.

2.4绵羊BMPR1B蛋白跨膜螺旋结构预测

利用TMPRED和TMHMM 2.0软件分析，结果显示在第127-149位氨基酸之间有一段跨膜结构，其中第1-126位氨基酸在细胞膜外，第150-502位氨基酸在细胞质内.

2.5绵羊BMPR1B蛋白潜在磷酸化位点和糖基化位点分析

利用NetPhos 2.0软件分析BMPR1B蛋白潜在磷酸化位点，结果表明有20个Ser，7个Thr，和5个Tyr，可能成为蛋白激酶磷酸化的位点(图3).利用NETOGlyc 3.1软件分析BMPR1B蛋白潜在糖基化位点，绵羊BMPR1B存在2个潜在的糖基化位点(图4).说明该蛋白翻译后修饰的主要方式之一是磷酸化.

图1　绵羊BMPR1B基因蛋白潜在信号 肽剪切位点分析结果Fig.1　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein in the potential cleavage sites of signal peptide

图2　绵羊BMPR1B基因蛋白跨膜螺旋 结构分析结果Fig.2　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein transmembrane helix structure

图3　绵羊BMPR1B蛋白潜在磷酸化 位点分析结果Fig.3　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein in the potential phosphorylation site

2.6绵羊BMPR1B蛋白保守结构域分析

据Smart软件分析结果得知(图5)，绵羊BMPR1B第127-149位氨基酸残基存在跨膜区，第174-204位和第204-491位氨基酸残基分别有一个GS和S-TKc的结构域.

图4　绵羊BMPR1B蛋白潜在糖基化 位点分析结果Fig.4　The analysis result of the sheep BMPR1 beta gene protein in the potential glycosylation site

图5　绵羊BMPR1B蛋白保守结构域Fig.5　The sheep BMPR1 beta gene protein conserved domain表2　绵羊BMPR1B蛋白保守结构域分析数据Tab.2　The analysis data of protein conserved domain in the sheep BMPR1 beta gene

名称起始位点终止位点E值Transmembraneregion127149N/AGS1742044.58e-13STKc2044917.38e-15

2.7绵羊BMPR1B蛋白亲疏水性分析

利用ExPASy的Protscale分析蛋白疏水性发现(图6)，该基因编码蛋白疏水性最大值为3.889(141位)，最小值为-2.833(153-155位)，由此可知该基因编码的蛋白属于亲水蛋白.

图6　绵羊BMPR1B氨基酸亲疏水性分析结果Fig.6　The analysis result of hydrophilicity and hydrophobicity profile of sheep BMPR1 beta amino acids

2.8绵羊BMPR1B蛋白功能预测与分析

从Protfun软件分析结果可知(表3)，该蛋白具有该蛋白具有辅助因子(biosynthesis of cofactors)、脂肪酸代谢(fattyacid metabolism)、嘌呤和嘧啶(purines and pyrimidines)、调节功能(regulatory functions)、翻译(translation)的可能性分别为1.017、2.216、1.017、1.655、2.758.说明绵羊BMPR1B基因在翻译和脂肪酸代谢中发挥重要作用，同时对嘌呤和嘧啶、调节功能等也起着关键作用，而且该蛋白也作为辅助因子在绵羊体内起着重要作用.

表3　绵羊BMPR1B蛋白功能预测分析Tab.3　The analysis of protein function in the sheep BMPR1 beta gene

2.9绵羊BMPR1B蛋白二级结构预测

通过Hopfield软件分析可知(图7)，绵羊BMPR1B蛋白二级结构如下，α螺旋(alpha helix，Hh)：144，28.69%，β折叠(extended strand，Ee):51，10.16%，无规卷曲(Random coil )(Cc):307，61.16%.预测可知绵羊BMPR1B蛋白二级结以无规卷曲为主.

2.10绵羊BMPR1B蛋白三级结构预测

Swiss-model软件分析绵羊BMPR1B蛋白三级结构预测(图8)，可知该蛋白三级结构主要是由α螺旋和无规卷曲缠绕折叠形成.

3　讨论

绵羊BMPR1B基因位于第6号染色体上，mRNA全长3 266 bp，包括12个外显子.该基因基因CDs编码蛋白质的502个氨基酸残基中，带电荷氨基酸和疏水氨基酸分别占氨基酸总数的35.06%和28.09%，成为编码该蛋白的主要氨基酸.其相对分子量为56 907.4 u，理论等电点pI为7.78.亚细胞定位可预测基因在细胞核中发挥生物学作用的区域，绵羊该蛋白主要由核外的游离核糖体合成，合成后由引导肽导向靶位点.该基因在第127-149位氨基酸之间有一段跨膜结构，其中第1-126位氨基酸在细胞膜外，第150-502位氨基酸在细胞质内.信号肽剪切位点的预测主要是通过S值的大小来判断该蛋白是否属于分泌蛋白，如果S均值大于0.5，则该蛋白属于分泌蛋白.反之则不属于分泌蛋白.由于该基因在氨基酸序列中不存在剪切位点，且S值约0.1，小于0.5，说明该蛋白不属于分泌蛋白.经潜在磷酸化位点和糖基化位点分析得知，BMPR1B蛋白翻译后修饰的主要方式之一是磷酸化，该修饰方式主要是诱导BMPR1B受体以磷酸化方式活化[16].该受体会迅速作用于细胞内相应的Smads信号传递蛋白，并启动信号转导形成有活性的转录复合物，在细胞核内发挥其相应的生物学效应[17].

图7　绵羊BMPR1B蛋白二级结构分析结果Fig.7　The analysis result of sheep BMPR1 beta protein secondary structure

图8　绵羊BMPR1B蛋白三级结构分析结果Fig.8　The analysis result of sheep BMPR1 beta protein tertiary structure

蛋白保守结构域分析发现，绵羊BMPR1B基因在第127-149位氨基酸残基存在跨膜区，第174-204位和第204-491位氨基酸残基分别有一个GS和S TKc的结构域，且均位于胞内.研究发现GS区高度保守且富含丝氨酸-甘氨酸序列，即TTSGSGSGLP，是TGFβⅠ型受体活化的关键部位[18].通过亲疏水性分析可知绵羊该基因编码的蛋白属于亲水蛋白.进一步对该基因功能分析预测发现，该基因编码的蛋白在翻译和脂肪酸代谢中发挥重要作用，同时对嘌呤和嘧啶、调节功能等也起着关键作用，而且该蛋白也作为辅助因子在绵羊体内起着重要作用.蛋白质二级结构发现该蛋白主要以无规卷曲为主，α螺旋也占有一定比例.由于氨基酸的二级结构是高级结构的基础，也对高级结构的形成产生影响.而软件分析可知三级结构主要是由α螺旋和无规卷曲缠绕折叠形成.

本研究利用生物信息学软件对绵羊BMPR1B基因进行了分析，运用生物信息学和数量科学的观点、方法和理论对该基因进行了比较分析，并了解了其功能和结构，为进一步探讨BMPR1B基因在绵羊生长繁殖以及绵羊卵泡生长和分泌和产羔率等研究奠定了遗传信息基础.

4　结论

绵羊BMPR1B蛋白相对分子量为56 907.4 U，理论等电点pI为7.78.BMPR1B基因CDs编码蛋白质的502个氨基酸残基中，带电荷氨基酸和疏水氨基酸含量较高.亚细胞主要定位于细胞核，不属于分泌蛋白.预测含有32个磷酸化位点和2个糖基化位点.存在一段跨膜结构且分别有一个GS和S TKc的结构域，二级结构以无规卷曲为主.预测该蛋白在翻译和脂肪代谢过程中有着重要意义.本研究为进一步探讨BMPR1B基因在绵羊繁殖功能及卵泡率和产羔率等研究奠定了遗传信息基础.

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(责任编辑李辛)

Bioinformatics analysis ofBMPR1Bgene in sheep

JIAO Dan,LIU Xiu,LI Shao-bin,WANG Ji-qing,YAN Wei,LI Wen-hao,LUO Yu-zhu

(Key Laboratory of Herbivorous Animal Biotechnology of Gansu Province,College of Animal Science and Technology,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 To analyze the biological information ofBMPR1Bgene in sheep,to understand its function and structure,and to lay the foundation of genetic information ofBMPR1Bgene in sheep growth reproduction,ovine follicle growth,secretion and the rate of lambing.【Method】 Bioinformatics of bone morphogenetic protein 1 beta gene of sheep were analyzed by using genome database on the physical and chemical properties,subcellular localization,the potential cleavage site of signal peptides,protein transmembrane helix structure,glycosylation and phosphorylation sites,encoding products function,protein conserved domain,hydrophilicity and hydrophobicity,secondary structure and tertiary structure.【Result】 The charged amino acid and polar amino acid contents are higher than other amino acids in the 502 amino-acid residues which codeBMPR1Bgene protein of sheep and in its coding region；The relative molecular weight is 56 907.4 U and theoretical isoelectric point is 7.78；Subcellular localization mainly locate in nucleus,it dose not belong to the secretory protein and has no signal sequence；It is predicted that the protein has 32 phosphorylation sites and 2 glycosylation sites；There is a transmembrane structure and a GS and S TKc structural domain,random coil is the mainly structure in the secondary structure；The protein plays an important role in translation and fat metabolism.【Conclusion】 The BMPR1B protein of sheep contains 502 amino acids,which is a nuclear protein.Phosphorylation is the main method for the modification after the protein translation.The protein plays the role of translation and fat metabolism,which secondary structure is mainly in random coil,and the tertiary structure is mainly composed of alpha helix g and random coil winding.

sheep；BMPR1Bgene；bioinformatics

焦丹(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为动物遗传育种与繁殖.E-mail：15101277124@163.com

罗玉柱，男，博士生导师，研究方向为草食动物遗传育种与现代生物技术.E-mail：luoyz@gasu.edu.cn

国际科技合作专项(2011DFG33310)；甘肃省创新研究群体计划(1210RJIA005)；国家科技支撑计划课题(2012BA D13B05).

2015-04-20；

2015-05-20

S 826

A

1003-4315(2016)04-0001-06