草鱼Rac1基因编码区生物信息学分析

张苗爽，董诗琳，姜 雪，刘丽霞，张 丽

（西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730030）

关键字：草鱼；Rac1；编码区；生物信息学

Ras相关C3肉毒素底物1（Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1）是Rho小GTP结合蛋白家族的成员之一，在细胞调节过程中发挥重要的作用[1]。Rac小GTP蛋白亚家族中包含了Rac1、Rac2以及Rac3三个成员，此三种成员间表现出80%以上的高度同源性。其中Rac1主要参与调节肌动蛋白动力调控、细胞骨架重组、基因表达与转录、细胞黏附等一系列的细胞活动[2,3]。由于Rac1对人体细胞骨架重组和细胞增殖凋亡具有调节作用，故Rac1基因对胃癌、肺癌和结直肠癌等多种肿瘤的形成起着重要的影响[4]。根据现有的文献发现Rac1在水生动物中的分子研究仅见于斑马鱼(GenBank accession no. BC071548.1)[5]、大菱鲆(GenBank accession no. FJ361904.1)[6]及大黄鱼(GenBank accession no. XM_010729684)[7]中。

本研究主要使用生物信息学的研究方法，从分子水平对草鱼的Rac1基因序列结构及相关生物信息学特性进行分析预测，探讨草鱼Rac1基因的功能信息、遗传特性及相关的生理作用机制，为草鱼的抗病育种提供理论基础。

1 材料与方法

从GenBank中查找得到草鱼Rac1基因的全长及编码区序列（GenBank no.KR809443.1）信息，对草鱼Rac1基因编码蛋白质特性及功能结构域的分析与预测参照张丽等[8]文献。

2 结果与分析

2.1 草鱼Rac1基因开放阅读框（ORF）和编码蛋白质理化特性预测与分析

开放阅读框（Open Reading Frame，ORF）的识别是研究一个新的DNA序列是特定蛋白质编码基因的一部分或者全部分的先决条件[9]。可使用Bioedit及Lasergene7.1软件预测草鱼Rac1基因编码蛋白质理化特性。结果表明草鱼Rac1基因开放阅读框片段长度为579 bp，编码了192个氨基酸，对20种常用氨基酸进行比对，得出结果为亮氨酸(Leu)占其中比例最多，在整个氨基酸组成中占比9.9%，而组氨酸(His)和色氨酸(Trp)最少，占比均为1.0%。利用蛋白质理化性质在线分析软件Rac1编码的蛋白质得出负氨基酸残基总数（Asp+Glu）为21，正电荷残基总数(Arg+Lys)为27，分子量为21 465.12 KDa，不稳定指数为33.16，没有超过其比对值40，即编码产物稳定，且其理论等电点值为8.9，半衰期为30 h。

2.2 草鱼Rac1基因编码蛋白质疏水性/亲水性的预测分析

预测草鱼Rac1基因编码蛋白质的疏水性需运用Expasy服务器上的Protscale程序，结果显示的纵坐标正值表示疏水，负值表示亲水，该蛋白质第81位半胱氨酸(Cys)疏水性最强(+3.089)，第184位的精氨酸(Arg)亲水性最强(-2.622)。整个编码产物中，亲水氨基酸占53.35%，疏水氨基酸占46.65%，平均分值为+0.117，是正值，疏水，因此可推断草鱼Rac1基因编码蛋白质是一种不溶性的蛋白质。

2.3 草鱼Rac1基因编码蛋白质N-糖基化位点的预测

蛋白质糖基化是指糖在糖基转移酶的作用下转移到蛋白质与蛋白质上的氨基酸残基形成糖苷键的过程，蛋白质糖基化修饰对蛋白质折叠、分选及其定位有着重要意义，同时糖链结构的不同还会影响蛋白质的半衰期和降解[8]。利用在线分析软件对Rac1编码蛋白质的N-糖基化位点进行预测，结果表明草鱼Rac1基因编码蛋白质中只有1个潜在的N-糖基化位点，该位点是Asn39。

2.4 草鱼Rac1基因编码蛋白质二级结构和三级结构的预测分析

蛋白质的二级结构是指多肽链借助氢键排列成沿一维方向形成的周期性结构的构象，这些构象通过各种次级键共同构成其三级结构。草鱼Rac1基因编码蛋白质二级结构：α-螺旋(Hh) 占 39.58%，无规则卷曲( Cc)占34.38%，β-转角( Tt)占6.77%，β-折叠( Ee)占19.27%，由此判断出草鱼RAC1基因编码蛋白质二级结构为混合型。

3 讨论

Rho小GTP蛋白家族包括七个亚家族，Rac是其中之一。Rac小GTP蛋白亚家族中包括Rac1、Rac2以及Rac3。Rac1能刺激细胞周期和DNA的合成，并参与Ras介导的转化。Rac1具有调控细胞骨架及细胞防御机制的能力，能在病原菌入侵的时候发挥重要作用，主要包括吞噬作用产生的活性氧和抗微生物肽[10]。据报道，有关Rac1基因在分子方面的研究多见于人类和啮齿等动物，草鱼Rac1基因的分子功能方面的研究还是一片空白。经分析，草鱼Rac1基因的开放阅读框为579 bp，分子质量为21.46512kDa，根据其理论等电点为8.9，不稳定指数为33.16，小于40，推断该蛋白质为稳定蛋白。在20种氨基酸的组成中，营养价值较高的亮氨酸（Leu）数量最多（19个），弱碱性的组氨酸（His）数量最少（2个），对蛋白质空间结构起重要作用的半胱氨酸（Cys）有7个，终止α-螺旋的脯氨酸（Pro）有14个。

据预测结果，草鱼Rac1基因编码的蛋白质为192个氨基酸经螺旋折叠而成的稳定不溶性蛋白质，存在1个N-糖基化位点，这个位点可能会影响蛋白质对丝氨酸蛋白水解酶的钝化或抑制的作用。草鱼Rac1基因编码蛋白质的预测结果显示二级结构中Hh、Ee、Cc、Tt所占的比例分别为39.58%、19.27%、34.38%、6.77%，故草鱼Rac1蛋白质二级结构是以α-螺旋和无规则卷曲为主的混合型蛋白。

在病原菌入侵时，由于Rac1能发挥重要作用，且调控部分细胞防御机制，可以预防鱼类疾病，为人类提供优质的鱼类产品，降低养殖损失，因此在渔业生产中具有广泛的应用前景。本文通过对草鱼Rac1基因编码蛋白质的理化性质和结构功能的预测，能够更好地为草鱼的抗病育种供理论参考。