绵羊HMGA1基因的生物信息学分析

靳皓宇 武顺 权洁 韩真真 张小雪

摘要：高迁移率族蛋白A1基因（high mobility group protein A1，HMGA1）是一类对DNA转录起调控作用的基因，广泛存在于多种动物体内。为探究HMGA1基因在绵羊体内的功能，对该基因及其编码产物进行了生物信息学分析。结果显示，绵羊HMGA1基因编码152个氨基酸残基，其编码的蛋白质分子式为C443H759N151O151S1，分子质量为10.648 35 kDa，等电点pI为10.31。绵羊HMGA1蛋白为不稳定蛋白、亲水性蛋白、非分泌蛋白且无信号肽序列和跨膜结构;亚细胞定位主要存在于细胞核（95.7%）。绵羊与牛的HMGA1蛋白相似度为100%。其二级结构和三级结构主要以无规卷曲组成。

关键词：绵羊;HMGA1基因;生物信息学分析

中图分类号：S826;Q57           文献标志码：A           文章编号：1001-1463（2022）02-0078-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.02.019

Bioinformatics Analysis of Sheep HMGA1 Gene

JIN Haoyu，WU Shun， QUAN Jie， HAN Zhenzhen， ZHANG Xiaoxue

（College of Animal Science and Technology of Gansu Agriculture University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：High mobility group protein A1（HMGA1） gene is a kind of gene that regulates DNA transcription and exists widely in many kinds of animals. In order to explore the function of HMGA1  gene in sheep， bioinformatics analysis of HMGA1 gene and its encoding product was conducted in this study. The results showed that sheep HMGA1 gene encoded 152 amino acid residues， and its protein molecular formula was C443H759N151O151S1， molecular weight was 10.64 835 Kda， isoelectric point pI was 10.31. Sheep HMGA1 protein was an unstable protein， hydrophilic protein， non-secretory protein and has no signal peptide sequence and transmembrane structure. The localization of HMGA1 at a subcellular level was mainly existed in the nucleus （95.7%）. The HMGA1 protein similarity between sheep and cattle was 100%. Its secondary and tertiary structures were mainly composed of random crimp.

Key words：Sheep;HMGA1 gene;Bioinformatics analysis

高遷移率族蛋白（high mobility group-protein，HMG）是Goodwin等[1 ]在1973年于牛胸腺细胞中首次发现的一类染色质相关非组蛋白。Bianchi等[2 ]将HMG蛋白分为3类： 高迁移率族蛋白B（high mobility group-proteinB，HMGB）、高迁移率族蛋白A（high mobility group-proteinA， HMGA）和高迁移率族蛋白H（high mobility group-proteinH，HMGH）。而HMGA又可分为两大类：即高迁移率族蛋白A1（high mobility group-proteinA1，HMGA1）和高迁移率族蛋白A2（high mobility group-proteinA2，HMGA2），分别由HMGA1基因、HMGA2基因编码。由于HMGA1基因转录后的可变剪接，HMGA1又分为长度有所不同的高迁移率族蛋白A1a（high mobility group-proteinA1a，HMGA1a）、高迁移率族蛋白A1b（high mobility group-proteinA1b，HMGA1b）以及高迁移率族蛋白A1c（high mobility group-proteinA1c，HMGA1c）3种蛋白[3 ]。有关哺乳动物HMGA1基因在癌症细胞增殖和分化方面的研究较多，并且可能成为检测肿瘤标志物以及预测肿瘤预后的良好指标，针对HMGA1的治疗亦可能成为治疗肿瘤的新途径[4 ]。小鼠HMGA1基因对白色脂肪和棕色脂肪的生成起重要作用[5 ]，另有研究报道称猪HMGA1基因和黑皮质素受体4（melanocortin receptor 4，MC4R）基因的SNP互作与其生长、瘦肉量以及脂肪含量均有一定关系[6 - 8 ]。有研究表明，猪HMGA1基因能提高软骨细胞增殖活性[9 ]，并通过调控透明软骨细胞增殖和分化来影响软骨组织的修复[10 ]，从而影响骨骼的结实度。目前针对HMGA1基因及其编码产物的研究大多集中于人类和猪，而针对绵羊的研究较少。我们通过调取生物基因组数据库中绵羊HMGA1的序列，利用生物信息学方法对绵羊HMGA1基因及其编码产物的序列、理化性质、蛋白质结构和生物学功能等进行了研究，以期为进一步研究该基因的结构和生物学功能提供参考。

1   材料与方法

1.1   序列来源

序列数据来源于NCBI網站GeneBank数据库，包括绵羊（XM_027958418.2、XP_027814219.1）、人（NM_001319077.2、NP_001306006.1）、家鼠（NM_ 001025427.3、NP_001020598.1）、鸡（NM_204369.1、NP_989700.1）、牛（NM_001076523.1、NP_0010699

91.1）、海龟（XM_037885374.1、XP_037741302.1）、黑猩猩（NM_001246496.1、NP_001233425.1）、猕猴（NM_001266352.1、NP_001253281.1）、猪（NM_ 001185154.1、NP_001172083.1）等9个物种的mRNA序列和氨基酸序列。括号内为GeneBank登录号。

1.2   方法

绵羊HMGA1基因开放阅读框（Open reading frame，ORF）分析采用NCBI的ORF Finder程序;理化性质分析采用Bioedit及ExPASy分析软件;绵羊HMGA1蛋白亚细胞定位采用PSORTⅡ软件，蛋白潜在信号肽剪切位点预测采用SignalP3.0软件，蛋白跨膜螺旋区域预测采用TMHMM程序，蛋白保守结构域分析采用Smart软件，蛋白亲疏水性分析采用Prot Scale软件，二级结构预测采用Jpred软件，蛋白三级结构预测采用Swiss-model软件。多序列比对及同源性分析采用DNAMAN软件。

2   结果与分析

2.1   绵羊HMGA1的理化性质分析

蛋白质的基本性质包括相对分子质量、氨基酸组成、等电点基因编码产物半衰期和不稳定指数等[11 ]。利用Prot Param在线工具和Bioedit软件对绵羊HMGA1基因编码产物的理化性质进行分析，结果表明，其编码产物的分子式为C443H759N151O151S1，共含有1 505个原子。该编码产物氨基酸残基数为152个，分子质量为10.648 35 kDa，理论等电点pI为10.31，提示绵羊HMGA1蛋白呈碱性。其氨基酸组成如图1所示，其中含量最多的是Lys（赖氨酸），所占比例为16.67%。绵羊HMGA1基因编码产物中不含Cys（半胱氨酸）、Phe（苯丙氨酸）、His（组氨酸）、Trp（色氨酸）、Tyr（酪氨酸），负电荷残基总数（Asp + Glu）为15，正电荷残基总数（Arg + Lys）为27。该编码产物在哺乳动物体外的半衰期为30 h，不稳定指数为81.81，不稳定指数为81.81 > 40，可确定该蛋白属于不稳定蛋白。

2.2   绵羊HMGA1基因开放阅读框分析

开放阅读框（Open Reading Frame，ORF）从起始密码子开始，是DNA序列中具有编码蛋白质潜能的序列，结束于终止密码子连续的碱基序列[12 ]。由ORF分析可知，该序列最大的开放阅读框长度为459 bp（起始密码子位于101 bp处，终止密码子位于559 bp处），编码了152个氨基酸残基（图2）。

2.3   绵羊HMGA1蛋白亚细胞定位

从亚细胞定位结果可知，绵羊HMGA1蛋白分布于细胞核的可能性为95.7%，分布于细胞质的可能性为4.3%。由此推断，绵羊HMGA1基因编码产物主要在细胞核中发挥生物学作用。

2.4   不同物种HMGA1蛋白的同源性分析

将绵羊HMGA1蛋白序列与另外一些已发表的动物如人、绵羊、家鼠、鸡、牛、海龟、黑猩猩、猕猴和猪9种动物的蛋白序列构建系统进化树，采用DNAMAN对9个物种的HMGA1蛋白的氨基酸序列进行多序列比对，结果如图3所示。可以看出，HMGA1基因在这9个物种中均有表达。系统发育分析结果（图4）表明，人、黑猩猩、猕猴的HMGA1氨基酸序列同源性为100%，绵羊与牛同源性高达100%，说明人、黑猩猩、猕猴的亲缘关系较近，绵羊和牛的亲缘关系比较近，绵羊与鸡和海龟的同源性较低。

2.5   绵羊HMGA1蛋白潜在信号肽剪切位点预测

信号肽序列是存在于分泌蛋白基因编码序列中、在起始密码子之后的1段富含疏水氨基酸多肽的序列。蛋白质的合成在核糖体上进行，信号肽是蛋白质的一个片段，引导核糖体并定位于内质网上的一个通道上，使核糖体附着在内质网上，并将不断伸长的蛋白质链穿透通过通道，随后信号肽被切割下来，合成完成的蛋白质被释放进内质网腔，最后被转运到胞外[13 ]。通过检测绵羊HMGA1蛋白潜在信号肽的存在情况可以得知该基因编的产物是否是分泌蛋白和跨膜蛋白以及跨膜蛋白的基本信息。从图5可以看出，绵羊HMGA1基因编码产物的C值为0.039、Y值为0.020、S值为0.064。因此推断HMGA1基因的编码产物不存在信号肽，且未发现跨膜区，所以该蛋白既为非分泌性蛋白，也为非跨膜蛋白，主要位于细胞核内。

2.6   绵羊HMGA1蛋白跨膜螺旋结构预测

采用TMHMM在线软件对于绵羊HMGA1蛋白跨膜螺旋结构进行分析预测，结果表明，绵羊HMGA1基因编码的蛋白质是非跨膜蛋白，即无跨膜结构（图6）。

2.7   绵羊HMGA1蛋白保守结构域分析

由绵羊HMGA1蛋白潜在信号肽剪切位点预测已知绵羊HMGA1基因编码的蛋白是非跨膜蛋白，进而通过Smart软件分析，绵羊HMGA1蛋白没有跨膜结构。但是存在3个低复杂性区域，分别是22～37、43～57、60～95（图7;表1）。

2.8   綿羊HMGA1蛋白亲疏水性分析

利用Prot Scale对绵羊HMGA1蛋白亲疏水性分析，结果表明，该基因编码蛋白疏水性的值均小于0，最小值为-3.200，总平均亲水性系数约为-2.061，由此得出该基因编码的蛋白属于亲水蛋白（图8）。

2.9   绵羊HMGA1蛋白二级结构的预测

蛋白质高级结构决定了它行使的生物功能，其二级结构是指在它的多肽链中具有规则重复的构象[14 ]。二级结构（secondary structure）是蛋白质第一个水平的折叠，即部分蛋白质链折叠形成一些通用结构，这些通用结构在所有蛋白质中都能找到[15 ]。通过Jpred软件分析可知（图9），绵羊HMGA1蛋白二级结构全部为无规卷曲结构。

2.10   绵羊HMGA1蛋白三级结构预测与分析

三级结构（ tertiary structure）是指蛋白质在二级结构基础上的进一步折叠，通过将二级结构元素组装在一起形成每个蛋白质特有的三维构象[15 - 16 ]。由图10可知，绵羊HMGA1基因编码蛋白的三级结构主要由无规卷曲折叠缠绕形成。

3   小结与讨论

绵羊HMGA1基因的最长ORF长度为459 bp，编码152个氨基酸残基;赖氨酸所占比例最多，为16.67%，分子质量为10.648 35 kDa，理论等电点（pI）为10.31。HMGA1基因编码的产物为不稳定性蛋白。其亚细胞定位的结果显示在细胞核的可能性最大，为95.7%。HMGA1在多种物种中氨基酸序列高度相似，绵羊与牛在系统发育树中距离最近。HMGA1基因的编码产物中不存在信号肽，为非分泌性蛋白且没有跨膜区，故该蛋白是非跨膜蛋白。HMGA1编码的蛋白为亲水蛋白，富含亲水氨基酸。绵羊HMGA1基因编码产物的二级结构主要以无规卷曲组成，三级结构主要由无规卷曲折叠缠绕形成。

在对猪全基因组序列数据对体尺性状进行全基因组关联研究中发现，HMGA1基因是重要影响因子[17 ]。蒲蕾等[18 ]的研究表明，大白猪和民猪HMGA1基因的g.543 T > C、g.1356 C > T 2个突变位点与猪的生长、饲料利用性状相关。对猪群HMGA1基因突变位点检测试验的结果显示，T等位基因型可以增加个体的体长[19 ]。在HMGA1基因与湖羊尾脂肪沉积的相关性分析中，得出了HMGA1基因可作为湖羊尾脂重量标记辅助选择的遗传标记的结论[20 ]。这些研究都表明，HMGA1基因在提高生长性状上具有较大潜力，因此HMGA1基因可作为选种依据。此外，HMGA1基因还可作为RAD51的新型调节器，在胆管癌中具有抗辐射作用[21 ]，也可作为一种潜在的胃癌治疗预后生物标志物[22 ]。

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