猪KCNJ13基因编码蛋白生物信息学分析

张生伟，王 伟，王鹏飞，高小莉，杨巧丽，滚双宝

（1.甘肃省农民教育培训工作总站，甘肃 兰州 730030；2.甘肃农业大学 动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

钾离子转运通道蛋白13（potassium voltagegated channel subfamily J member 13，KCNJ13）是内向整流钾通道（inwardly rectifying potassium，Kir）超家族成员之一[1,2]，该基因编码的蛋白被称为Kir7.1，它是一种低电导通道，主要表达于上皮组织中[3]，包括肠上皮细胞、甲状腺滤泡细胞和近、远曲小管上皮细胞的基底外侧膜[4,5]。研究发现，Kir7.1能够控制光感受器与视网膜色素上皮细胞（RPE）之间的微环境[6]，在子宫[7]、大脑[8]、腭[9]等器官中发挥着重要功能。KCNJ13基因突变与许多疾病的发生密切相关，例如，KCNJ13突变会导致人的玻璃体视网膜变性[10]，Perez等[11]和Khan等[12]研究表明，KCNJ13突变可引发人早期视网膜营养不良性白内障的发生。

目前针对KCNJ13基因的研究还不够深入，大多集中在人和小鼠上，而对猪KCNJ13基因的研究鲜有报道。本文运用生物信息学分析方法对猪KCNJ13基因序列特征和生物学功能进行预测分析，为开展猪KCNJ13基因生物学功能的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 猪KCNJ13基因序列分析

从GenBank数据库中获得猪KCNJ13基因（NC_010457.5）序列及氨基酸序列，同时获得人、牛、绵羊、大鼠、小鼠、犬、海豚、鸡、黑猩猩、马、斑马鱼等物种KCNJ13氨基酸序列，并进行同源性分析；利用MEGA7.0软件进行序列比对并构建系统进化树。

1.2 猪KCNJ13基因生物信息学分析

利用NCBI、ExPASy等公共数据库及在线软件程序进行猪KCNJ13基因生物信息学分析。运用NCBI的ORF Finder程序分析猪KCNJ13编码蛋白开放阅读框；利用ExPASy中ProtParam程序对蛋白理化性质进行分析；采用SOPMA程序预测猪KCNJ13氨基酸序列二级结构；运用（Conserved Domain Database，CDD）程序对蛋白保守结构域进行分析以及使用TMHMM程序对蛋白跨膜结构域进行分析。

2 结果与分析

2.1 猪KCNJ13基因序列分析

KCNJ13基因位于猪的第15号染色体，基因全长9 788 bp，含3个外显子和2个内含子。序列中存在1 083 bp的开放阅读框，起始密码子位于368 bp处，终止密码子位于1 450 bp处，共编码360个氨基酸。

2.2 同源性分析

KCNJ13编码蛋白序列同源性分析发现，猪与人、牛、绵羊、大鼠、小鼠、犬、海豚、鸡、黑猩猩、马、斑马鱼氨基酸序列相似性分别为96%、94%、93%、92%、92%、97%、97%、73%、96%、96%和69%；由KCNJ13基因系统进化树（见图1）可见，猪亲缘关系最近的是马，亲缘关系较近的是海豚、犬、绵羊和牛，亲缘关系较远的是斑马鱼和鸡。

图1 不同物种系统进化树

2.3 猪KCNJ13编码蛋白理化性质预测

猪KCNJ13编码蛋白序列由360个氨基酸组成，分子量为40 455.60，分子式为C1827H2831N477O523S19，共有5 677个原子。带负电荷的氨基酸残基数（36）大于带正电荷氨基酸残基数（28），理论等电点（pI）为5.76，偏酸性。预测不稳定系数为37.63，表明KCNJ13编码蛋白结构稳定。在组成KCNJ13编码蛋白的20种氨基酸中，亮氨酸最多，所占比例为11.1%，色氨酸最少，所占比例为1.4%（见图2）。

图2 KCNJ13各种氨基酸残基含量

2.4 猪KCNJ13编码蛋白二级结构预测

猪KCNJ13编码蛋白有145个氨基酸残基组成的无规则卷曲，占整个二级结构的40.28%，是KCNJ13二级结构的主要构成；α-螺旋由120个氨基酸残基（占33.33%）组成；延伸链和β-转角分别由76和19个氨基酸残基（分别占21.11%和5.28%）组成（见图3）。

图3 猪KCNJ13二级结构

2.5 猪KCNJ13编码蛋白亚细胞定位分析

通过亚细胞定位预测，有39.1%的可能性分布在线粒体，有34.8%的可能性分布在内质网。可以推断，猪KCNJ13编码产物主要在内质网和线粒体中发挥生物学作用，部分存在于细胞核中（见图4）。

图4 KCNJ13亚细胞定位

2.6 猪KCNJ13编码蛋白跨膜结构域及保守结构域预测

由图5可见，该基因编码产物有两段跨膜螺旋（TMHs），分别在第57～79位氨基酸和第135～157位氨基酸之间。第1～56和158～360位氨基酸在细胞膜内，第80～134位氨基酸在细胞膜外。跨膜螺旋区（Exp AAs）预测值为48.638。此外，KCNJ13编码蛋白在第21～331位氨基酸残基之间有一个IRK结构域。该结构域属于Ion_trans_2超家族，具有内向整流钾离子通道作用（见图6）。

图5 KCNJ13跨膜结构域预测

图6 KCNJ13保守结构域预测

3 讨论

猪KCNJ13基因是钾离子转运通道蛋白亚家族J成员13，位于第15号染色体，含有3个外显子，2个内含子。该基因序列存在1 083 bp的开放阅读框，共编码360个氨基酸。氨基酸同源性分析表明，猪与人、犬、海豚、黑猩猩、马的氨基酸序列相似性较高，分别为96%、97%、97%、96%和96%，与鸡和斑马鱼相似性较低，为73%和69%，利用Mega7.0软件构建系统进化树发现，猪与马的亲缘关系最近，与鸡和斑马鱼较远。这与动物学分类结果一致，而且较高同源性也反映了KCNJ13的编码蛋白在不同物种上的稳定性较好[13]。

猪KCNJ13编码蛋白分子量为40 455.60，带负电荷，理论等电点为5.76，偏酸性。预测不稳定系数为37.63，表明该蛋白结构稳定。二级结构中无规则卷曲占整个二级结构的40.28%，是KCNJ13二级结构的主要构成。保守结构域预测发现该蛋白有一个IRK保守结构域，属于Ion_trans_2超家族，而且该蛋白主要在内质网和线粒体中发挥生物学作用。KCNJ13基因编码蛋白有两段TMHs，分别在第57～79位氨基酸和第135～157位氨基酸之间，其中第1～56和158～360位氨基酸在细胞膜内，第80～134位氨基酸在细胞膜外。研究表明Exp AAs值大于18时说明预测蛋白为跨膜蛋白[14]，因此，KCNJ13编码的蛋白为跨膜蛋白。

本研究通过对猪KCNJ13基因生物信息学分析，运用生物信息学和数量科学的观点、方法和理论对该基因编码氨基酸序列功能及其结构进行预测，可信度高，具有现实意义，可为进一步研究猪KCNJ13基因生物学功能提供参考。

4 结论

猪KCNJ13基因共编码360个氨基酸，分子量为40 455.60，理论等电点为5.76，带负电荷，偏酸性。二级结构以无规卷曲为主，主要定位于线粒体和内质网。该蛋白有一个IRK保守结构域，属Ion_trans_2超家族，有两段跨膜螺旋。这些预测结果可为深入研究猪KCNJ13基因功能及有关疾病的诊断提供理论依据，具有重要的参考价值。