牦牛IL-4基因的生物信息学分析

赵晓萌，袁肇方，孙雨琪，杨 琨,2*

1.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730100；2.西北民族大学生物医学研究中心甘肃省动物细胞技术创新中心，甘肃 兰州 730030

牦牛是主要生活在喜马拉雅山脉和青藏高原的哺乳动物，其生理机能和形态结构与当地环境形成了良好的适应性，是研究低氧适应性的良好材料[1]。

白介素细胞-4（白介素-4, Interleukin-4, IL-4）为趋化因子家族的一员，是由活化的T淋巴细胞、Th2和肥大细胞等产生，是II型辅助T细胞产生的细胞因子[2]。IL4能够与IL-4受体相结合来激活免疫细胞，使T细胞和B细胞进行增殖，从而在机体的炎症反应中发挥作用。

鉴于白介素-4基因的重要生物学功能,且目前还尚未见到对牦牛白介素-4基因的生物信息学报道。本研究全面深入地对牦牛IL-4的生物信息进行分析,旨在为研究IL-4基因的高原低氧适应性生物学功能提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 序列来源

在NCBI数据库找到10个物种与牦牛IL-4基因（登录号：XM_005888362.1），如下表1。

表1 不同物种IL-4基因的序列来源

1.2 数据分析方法

使用ProtParam、ProtScale和SignalP-4.1对牦牛IL-4基因的理化性质、疏水性与亲水性、信号肽进行分析。然后通过Netphos3.1Server、Yloc、TMpred软件对IL-4基因的磷酸化位点、亚细胞结构定位和跨膜结构区域进行预测，通过Sopma与SWISS MODERL软件分别预测IL-4基因的二级和三级结构。使用NCBI-BLAST、KEGG和STRING分析牦牛IL-4的同源性相似度、信号通路和蛋白预测互作网络。

2 结果与分析

2.1 牦牛IL-4基因的开放阅读框分析

IL-4基因的总全长为571 bp，其中CDS区的范围为67～474 bp。结果分析表明IL-4基因包含ORF1-ORF2两个子ORF，它们的核苷酸起止位点及片段大小均不同，大小分别为135 bp和277 bp。

2.2 牦牛IL-4基因的理化性质分析

牦牛IL-4基因共编码135个氨基酸，其中Leu占14.1%，Thr占11.1%。蛋 白 质 分 子 量为15 118.84，理论等电点为9.20，分子式为C661H1107N185O195S11，共2 159个原子，脂肪指数为99.63，负电荷残基总数有12个,正电荷残基总数有20个。不稳定系数为46.03,属不稳定蛋白。氨基酸总平均亲水性为-0.025，是亲水性蛋白。

2.3 牦牛IL-4基因的信号肽及跨膜区域结构预测

牦牛IL-4蛋白存在信号肽，整个序列都存在于细胞膜内，为一种跨膜蛋白，此外牦牛IL-4蛋白还存在一个强的跨膜螺旋区间，具体为1～22。

2.4 牦牛IL-4基因编码蛋白磷酸化位点分析

牦牛IL-4蛋白共有67个磷酸化位，其中含44个Ser，19个Thr，7个Tyr。

2.5 牦牛IL-4蛋白二级结构和三级结构的分析预测

本次预测发现牦牛IL-4蛋白α-螺旋为60.74%，β–转角为2.22%，随机卷曲为31.85%、延伸链为5.19%，可推测出在牦牛IL-4中二级结构以α-螺旋和随机卷曲为主，三级结构以α-螺旋结构单元为主。

2.6 牦牛IL-4基因同源性分析

牦牛IL-4基因与黄牛、绵羊、山羊、鼠、长颈鹿、猕猴、人、白鲸、宽尾海豚的同源相似性分别为99.47%、96.81%、94.76%、80.48%、93.38%、76.50%、82.56%、89.14%和88.60%，与黄牛的同源性最近，与猕猴最远。

2.7 IL-4信号通路和蛋白互作通路分析

IL-4主要参与12种信号通路，网络中蛋白彼此之间的相关性紧密，且多数蛋白质以IL-4作为媒介对彼此进行相互作用。

3 讨论

IL-4是来源于T细胞的一种细胞因子,其受体对IL4的信号转导至关重要，在IL-4R蛋白中酪氨酸残基发生磷酸化能够促进IL-4发挥作用，如IL-4能激活STAT6酪氨酸发生磷酸化,与特异性DNA的结合位点相结合, 从而使IL-4发生转录。此外，通过蛋白互作分析显示IL-4在信号通路中起到关键性作用，且IL-4与IL2GR、IL13RA1、JAK等蛋白关系密切，通过彼此之间的相互作用来参与物质信号传递、能量代谢及细胞生命周期调控等各个环节。据研究表明IL-4通常以JAK-STAT，Ras-ERK，PI3K-pKR这3种信号传递发挥其生物学效应[3]，且TCR对突变的IL-4Ra的功能实现转化，能够诱导出IL-4依赖的STAT6的活化。IL-4还能调节机体内的免疫应答，参与体内寄生虫的清除与黏液分泌，激活嗜酸性粒细胞或其他细胞发生超敏反应，介导肿瘤的生长，影响肿瘤周围炎性细胞分化等功能。

不同物种之间IL-4基因编码的氨基酸序列高度相似，牦牛IL-4基因与黄牛的同源性最近,与猕猴的亲缘关系最远,表明牦牛和黄牛的IL-4蛋白可能具有相似的生物学功能。

4 结论

牦牛IL-4基因长度为571 bp，共编码135个氨基酸，其基因编码的产物呈亲水性，存在信号肽与跨膜结构域，二级结构以α-螺旋和随机卷曲为主，三级结构以α-螺旋结构单元为主，与黄牛的亲源性最近。