褐家鼠RnBMP4蛋白的生物信息学分析

第 7 卷 第 2 期2021 年 4 月
生物化工
Biological Chemical Engineering
Vol.7 No.2
Apr. 2021
褐家鼠RnBMP4蛋白的生物信息学分析
董世鹏，朴忠万，金志民，张隽晟
（牡丹江师范学院，黑龙江牡丹江 157012）
摘 要：为研究褐家鼠骨形态发生蛋白（RnBMP4）的功能，利用生物信息学方法对RnBMP4的理化性质、亲水/疏水性、跨膜结构、二级结构、三级结构、蛋白质修饰位点及同源性等进行了分析和预测。

结果表明，RnBMP4蛋白共编码408个氨基酸，是不稳定亲水蛋白，属于TGFb前肽超家族（ID：cd19391）及BMP4超家族（ID：pfam00688）；蛋白质二级结构主要为无规则卷曲，其次为ɑ螺旋和延伸链；与其他16种动物的BMP4氨基酸序列进行对比，发现褐家鼠RnBMP4与屋顶鼠及锡金小鼠亲缘关系较近。

关键词：褐家鼠；RnBMP4；生物信息学
中图分类号：Q75 文献标识码：A
Bioinformatics Analysis of RnBMP4 in Rattus Norvegicus
DONG Shipeng, PIAO Zhongwan, JIN Zhimin, ZHANG Junsheng
(Mudanjiang Normal University, Heilongjiang Mudanjiang 157012)
Abstract: To obtain the information of RnBMP4 proteins in Rattus norvegicus, we used bioinformatics methods to analyze the hydrophobic/ hydrophilic, transmenbranne domain, secondary structure, tertiary structure, protein modification sites and homology of BMP4 in Rattus norvegicus. The results showed that RnBMP4 codes 408 amino acid. RnBMP4 was a unstable and hydrophilic protein belonging to the TGFb superfamily (ID: cd19391) and BMP4 superfamily (ID: pfam00688). The analysis also demonstrated that the main secondary structure was random coil, ɑ-helix and extended strand. Compaired to BMP4s of the other 16 animal, RnBMP4 of Rattus norvegicus has near relationships with Rattus rattus and Mus pahari.
Keywords: Rattus norvegicus; RnBMP4; Bioinformatics
褐家鼠分布范围广、繁殖能力强、破坏力大、疫病传染率高，已成为危害性最大的鼠种之一[1]。

骨形态发生蛋白（Bone Morphogenetic Proteins，BMPs）是转化生长因子TGF-β超家族中最大的亚族，由Urist等研究人员首次于1965年从脱钙骨基质中分离得到[2]。

研究表明，BMPs在大部分脊椎动物组织中均有不同程度的表达，其主要诱导胚胎发育过程中成骨及软骨的形成和修复，在神经组织、眼组织、泌尿、脏器等器官中起到定性、重塑的作用[3-5]。

BMP4是BMPs家族中的一员，具有BMPs保守结构，研究人员发现BMP4参与调节细胞的分化及凋亡，并在形成配子方面起着重要作用[6-7]，在小鼠中发现的BMP4可以促进其卵泡的形成及转化[8]。

本试验以褐家鼠尾上表皮转录组为参考，筛选到RnBMP4基因的cDNA序列，利用生物信息学方法对RnBMP4蛋白的理化性质、跨膜结构、二级结构、三级结构、蛋白质修饰位点及同源性等方面进行分析，为研究鼠类RnBMP4功能提供参考。

1材料与方法
1.1基因序列的获取
褐家鼠RnBMP4的cDNA序列从褐家鼠尾部皮
基金项目：黑龙江省教育厅基本科研项目（1355MSYYB009）；黑龙江省自然基金项目（LH2020C071）；黑龙江省教育厅基本科研项目（1355JG002）。

作者简介：董世鹏（1983—），男，黑龙江牡丹江人，硕士，工程师，研究方向：动物学。

文章编号：2096-0387（2021）02-0036-04
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董世鹏等：褐家鼠RnBMP4蛋白的生物信息学分析
肤转录组数据中获得。

以下16种动物RnBMP4氨基酸序列在NCBI数据库中获得：屋顶鼠（Rattus rattus，XP_032773996.1）、小家鼠（Mus musculus，AAC37698.1）、锡金小鼠（Mus pahari，XP_021059014.1）、卡氏小鼠（Mus caroli，XP_021037499.1）、非洲树线鼠（Grammomys surdaster，XP_028614463.1）、白鼻乳鼠（Mastomys coucha，XP_031218030.1）、尼罗垄鼠（Arvicanthis niloticus，XP_034355193.1）、草原田鼠（Microtus ochrogaster，XP_026639058.1）、南蝗鼠（Onychomys torridus，XP_036055299.1）、亚洲水牛（Bubalus bubalis，NP_ 001277806.1）、白尾鹿（Odocoileus virginianus texanus，XP_020743815.1）、野牦牛（Bos mutus，XP_014335672.1）、以色列鼹鼠（Nannospalax galili，XP_008837774.1）、绵羊（Ovis aries，NP_001103747.1）、中国地鼠（Cricetulus griseus，XP_035309221.1）、苍白矛吻蝠（Phyllostomus discolor，XP_028361956.1）。

1.2分析方法
褐家鼠RnBMP4蛋白的生物信息学分析内容和使用的软件及网站如表1所示。

2结果与分析
2.1RnBMP4理化性质分析
利用ProtParam软件对褐家鼠RnBMP4氨基酸序列进行理化分析，结果如图1所示。

RnBMP4基因cDNA共编码408个氨基酸，分子量46 529.72 D，理论等电点为8.57，该蛋白中含量最多的为亮氨酸，占比9.3%；含量最少的为色氨酸，占比为1.5% （图1a）。

分子式为C2046H3203N615O598S17，负电荷残基总数为45，正电荷残基总数为49，总原子数6 479，不稳定指数为61.40，属于不稳定蛋白质，脂肪系数为76.67。

ProtScale软件分析，最大值为2.978，最小值为-3.556（图1b），故该蛋白为亲水蛋白。

2.2 RnBMP4信号肽和跨膜结构
RnBMP4蛋白信号肽和跨膜结构域预测结果如图2所示。

使用SignalP-4.1预测RnBMP4蛋白含有信号肽，位点在第23个氨基酸处（图2a），但是该蛋白不存在跨膜结构（图2b）。

2.3 RnBMP4结构域预测
蛋白保守序列分析如图3所示，RnBMP4含有
表1 RnBMP4蛋白的生物信息学分析方法内容分析软件及网站
理化性质ProtParam（https:///cgi-bin/protparam/ protparam）蛋白质等电点ProtScale（https:///protscale/）
跨膜结构SignalP-4.1（http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP-4.1/）TMHMM（http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）
保守结构域NCBI-CDD（https:///Structure/cdd/）
二级结构SOPMA（https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/secpred_sopma.pl）
三级结构SWISS-MODEL（/）
功能位点Inter-ProtScan（/interpro/search/sequence-search）
丙氨酸（5.10％）
缬氨酸（6.90％）
酪氨酸（2.70％）
色氨酸（1.50％）苏氨酸（4.70％）
丝氨酸（7.60％）
脯氨酸（6.10％）
苯丙氨酸（3.40％）
甲硫氨酸（2.20％）
赖氨酸（3.40％）
亮氨酸（9.30％）
精氨酸（8.60％）
天冬氨酸（3.70％）
天冬酰胺（4.20％）
半胱氨酸（2.00％）
谷氨酰胺（5.10％）
谷氨酸（7.40％）甘氨酸（6.90％）
组氨酸（5.40％）
异亮氨酸（3.90％）
（a）RnBMP4编码蛋白质的氨基酸组成 （b）RnBMP4的亲水性/疏水性分析
图1 RnBMP4氨基酸组成和亲水性/疏水性分析
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生物化工2021年
putative homodimer interface
Queiy seq.1
75
150
225
300
375
408
Specific hits
Non-specific hits Superfamilies
TGFb_propeptide
TGFB TGF_beta
PHA02913
TGF_beta TGF_beta_SF
superfamily superfamily
superfamily
图3 蛋白保守序列分析
TGFb 前肽超家族（ID：cd19391），其第41~276氨基酸之间为TGFb-propeptide 的保守结构域；同时，还是BMP4超家族（ID：pfam00688），在302~408氨基酸之间，含有BMP4保守结构域。

2.4 RnBMP 4二级、三级结构预测
利用SOPMA 对RnBMP4的二级结构进行分析，结果如图4a 所示。

该蛋白22.30%可能会形成螺旋（Helix），18.63%可能形成延伸链（Strand），1.96%可能形成转角（Turn），57.11%为无规卷曲（Random coil），无二硫键的形成，没有特殊的二级结构。

用SWISS-MODEL 对RnBMP4蛋白进行三级结构的预测，结果如图4b 所示：在第41~408氨基酸之间含有
功能保守结构域。

（a）RnBMP4
的二级结构预测
（b）RnBMP4蛋白的三级结构预测
图4 RnBMP 4蛋白结构预测
2.5 蛋白质修饰位点的预测
通过Predict Protein 预测分析：RnBMP4含有4个糖基化位点、5个酪蛋白磷酸激酶Ⅱ磷酸化位点、1个cAMP 和cGMP 依赖性蛋白激酶磷酸化位点、5个蛋白激酶C 磷酸化位点。

2.6 氨基酸序列同源性对比
在NCBI 数据库中分别下载16种动物的BMP4序列，与褐家鼠RnBMP4氨基酸序列进行同源性分析，结果如图5所示：褐家鼠RnBMP4与屋顶鼠（Rattus rattus）及锡金小鼠（Mus pahari）亲缘关系较近，而与其他动物亲缘关系较远。

图5 RnBMP 4系统进化树分析结果
3 结论
骨形态发生蛋白（Bone Morphogenetic Proteins，
BMPs）作为动物组织中重要的转化生长因子，其广泛存在于动物体中，在早期胚胎发育至成年期均有不同
（a）RnBMP4蛋白信号肽的预测 （b）RnBMP4跨膜区预测
注：C 值为原始剪切位点的分值；S 值为信号肽的分值；Y 值为综合剪切位点的分值
图2 RnBMP 4蛋白信号肽和跨膜结构域预测
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董世鹏等：褐家鼠RnBMP4蛋白的生物信息学分析
程度的表达[9]。

本研究从褐家鼠尾部皮肤转录组数据中获得并筛选出其序列信息，结果表明：RnBMP4蛋白共编码408个氨基酸，该蛋白中含量最多的为亮氨酸，属于不稳定亲水蛋白；含有信号肽但无跨膜结构，分别含有TGFb前肽超家族（ID：cd19391）及BMP4超家族（ID：pfam00688）的保守结构域；二级结构以无规则卷曲结构为主；经MAGA5.1分析，褐家鼠RnBMP4与屋顶鼠及锡金小鼠亲缘关系较近，以上结果为进一步研究褐家鼠RnBMP4基因功能提供了一定的理论基础。

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