綿羊MXD3基因的生物信息學分析

張晏銘 韓玉玲 馬延龍 張小雪

摘要：MAX二聚化蛋白3（MAX dimerization protein 3， MXD3）在腫瘤的增殖、凋亡、侵襲和轉移過程中起重要作用，廣泛存在于多種動物體內。為探究MXD3基因在綿羊體內的功能，運用生物信息學數據庫及其軟件，分析了該基因及其編碼的產物。結果發現，綿羊MXD3基因總共編碼了206個氨基酸殘基，所編碼的蛋白質分子式為C1000H1650N332O315S6，分子質量為23 556.50 KDa，理論等電點pI為9.32，半衰期為30 h，不穩定指數為88.30。通過基本理化性質分析可知，綿羊MXD3主要在細胞核發揮作用，不屬于分泌蛋白，不存在信號肽序列，不存在跨膜結構，是親水性蛋白。該蛋白的二級結構主要是以無規卷曲、α螺旋組成，而三級結構預測結果與二級結構相符。

關鍵詞：綿羊；MXD3基因；生物信息學分析

中圖分類號：S826? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2024）03-0217-05

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.03.005

Bioinformatics Analysis of Ovine MXD3 Gene

ZHANG Yanming， HAN Yuling， MA Yanlong， ZHANG Xiaoxue

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

Abstract： MAX dimerized protein 3（MXD3） gene plays an important role in tumor proliferation， apoptosis， invasion and metastasis， which is widely present in a variety of animals. In order to explore the function of MXD3 gene in sheep， bioinformatics analysis of MXD3 gene and its encoded products was conducted by using bioinformatics databases and software. The results showed that MXD3 gene encoded 206 amino acid residues， the protein molecular formula was C1000H1650N332O315S6， the molecular weight was? 23 556.50 KDa， isoelectric point pI was 9.32， the half-life was 30 h， and the instability index was 88.30. Sheep MXD3 protein subcells were mainly located in nucleus， which was not a secreted protein and therefore no signal peptide sequence was detected. No transmembrane structure was found and was regarded as a hydrophilic protein. The secondary structure of the protein was composed of random coil and α helix， and the predicted results of tertiary structure were consistent with the secondary structure.

Key words： Sheep; MXD3 gene; Bioinformatics analysis

MXD3基因是Mad基因家族的一員，MXD3基因的轉錄組和蛋白質在細胞增殖過程中發揮一定作用。研究發現，人MXD3基因在肝癌細胞中的表達要高于正常肝細胞中的表達，且高表達MXD3基因的肝細胞肝癌患者生存率低于低表達MXD3基因的肝細胞肝癌患者，表明MXD3是肝細胞肝癌的潛在生物學標志物和獨立的預后指標［1 ］。人MXD3基因在髓母細胞瘤細胞中異常高表達， 在髓母細胞瘤生物發生、維持和增殖中起重要作用［2 - 5 ］。據相關報道，該基因的siRNA已被用于神經母細胞瘤和急性B淋巴細胞白血病的治療，而且癌細胞的增殖明顯受其抑制［3 ］。MXD3基因在許多人類腫瘤中有表達，特別是在中樞神經系統腫瘤中，在膠質母細胞瘤中最為顯著［4 ］。MXD3基因在小鼠成神經管細胞瘤模型中也有表達，敲除MXD3基因后，會減少小鼠成神經管細胞瘤的增生［6 ］。小鼠MXD3基因在小腦中的增殖作用及其在小腦腫瘤中的過表達一致。MXD3 基因在過渡性 IgD 中表達-脾臟中的B細胞，其表達在小鼠成熟過程中降低。因此，前體 B 細胞急性淋巴細胞白血病樣品中的高MXD3基因水平可能反映了白血病細胞的不成熟性質［5 ］。MXD3 基因在小鼠髓母細胞瘤模型表達水平增多，過多的MXD3蛋白與Max異二聚體競爭結合DNA結合位點，抑制Myc蛋白的作用，由此致使細胞增殖失控和抑癌作用的下降［7 - 9 ］。目前，關于MXD3基因及其蛋白的結構與功能的研究主要集中于人和小鼠，而對綿羊的研究很少。本文利用NCBI數據庫等，結合生物信息學手段對綿羊MXD3 基因及其編碼產物理化性質、蛋白質結構、生物學功能等進行了研究，以探究該基因及其編碼產物的結構與生物學功能。

1? ?材料與方法

1.1? ?序列來源

數據資料來源于NCBI網站的GenBank數據庫，其中包括綿羊（XM_042250364.2， XP_042106298.1）、人（NM_000044.6， NP_000035.2）、兔子（XM_00271 0426.4， XP_002710472.1）、狗（XM_038663261.1，XP_038519189.1）、牛（NM_001193259.1， NP_0011 80188.1）、豬（NM_001244104.1， NP_001231033.1）、馬（XM_023617137.1， XP_023472905.1）、山羊（XM_ 018050624.1，XP_017906113.1）等8個物種的mRNA序列與氨基酸序列。括號內為GenBank登錄號。

1.2? ?方法

采用NCBI的ORF Finder程序分析綿羊MXD3基因的開放閱讀框，使用Bioedit及ProtParam軟件分析綿羊MXD3基因的理化性質，通過PSORTⅡ軟件預測綿羊MXD3蛋白進行亞細胞定位，選擇SignalP 3.0軟件預測綿羊MXD3蛋白潛在信號肽剪切位點，采用TMHMM程序預測綿羊MXD3蛋白跨膜螺旋區域，通過Smart軟件分析綿羊MXD3蛋白保守結構域，使用Prot Scale在線工具分析綿羊MXD3蛋白親疏水性，采用Jpred軟件預測綿羊MXD3蛋白質二級結構，通過Swiss-model在線軟件預測綿羊MXD3蛋白三級結構，采用DNAMAN軟件分析多序列比對及同源性［10 - 17 ］。

2? ?結果與分析

2.1? ?綿羊MXD3基因開放閱讀框分析

對開放閱讀框分析得知（圖1），綿羊MXD3基因中含有1個最長621 bp的 ORF，起始密碼子位于604 bp處，終止密碼子位于1 224 bp處，編碼了206個氨基酸殘基。

2.2? ?綿羊MXD3基因編碼產物理化性質分析

蛋白質的基本性質包括相對分子質量、氨基酸組成、親水性平均值、等電點等。采用Prot- Param和 Bioedit軟件對綿羊MXD3基因編碼產物的理化性質分析可知，綿羊MXD3基因分子式為C1000H1650N332O315S6，編碼206個氨基酸殘基，相對分子質量為23 556.50 KDa，理論等電點pI為9.32。該蛋白共含31個負電荷殘基數（Asp+Glu）、36個正電荷殘基數（Arg+Lys）。其氨基酸組如圖2所示。其中Arg（精氨酸）和Leu（亮氨酸）含量最高，所占比例為13.59%； Trp（蛋氨酸）含量最少，所占比例為1.20%。該基因編碼產物半衰期為30 h，不穩定指數為88.30，屬于不穩定蛋白質。

2.3? ?綿羊MXD3蛋白亞細胞定位

通過PSORTⅡ軟件預測得知，綿羊MXD3基因編碼蛋白的亞細胞分布于細胞核的可能性最大（69.6%），分布于細胞骨架的可能性次之（13.0%），分布于高爾基體、細胞質、質膜、分泌囊泡系統的可能性最?。?.3%）。由此推斷，綿羊MXD3基因主要在細胞核中發揮生物學作用，其次在細胞骨架中發揮作用。

2.4? ?不同物種MXD3蛋白的同源性分析

采用DNAMAN軟件將人和綿羊、兔子、牛、狗、山羊、豬、馬7個動物的氨基酸序列進行序列比對。結果表明，MXD3氨基酸序列在物種間的表達相對保守，山羊和綿羊的同源性趨于一致，為100%；牛與綿羊同源性次之，為98%；豬和馬僅與綿羊同源性有少量不同，均為95%；兔子與綿羊同源性為91%；狗與綿羊同源性更低，為86%；而人和其余7種動物的同源性最低，為17%（圖3、圖4）。

2.5? ?綿羊MXD3蛋白潛在信號肽剪切位點預測

通過SignalP 3.0軟件對綿羊MXD3蛋白分析可知，綿羊MXD3基因編碼產物的原始剪切位點（C值）、綜合剪切位點估計值（Y值）、 信號肽位點估計值（S值）分別在第26位、第3位、第1位，最大值分別為0.124、0.037、0.217（圖5）。由此推測，綿羊MXD3基因編碼產物不存在信號肽，是非分泌性蛋白，為不具跨膜區域的非跨膜蛋白。

2.6? ?綿羊MXD3蛋白跨膜螺旋結構預測

通過TMHMM Server v.2.0在線軟件進行分析表明，綿羊MXD3基因編碼產物在膜外無任何序列，該蛋白無跨膜結構，為非跨膜蛋白（圖6）。

2.7? ?綿羊MXD3蛋白保守結構域分析

結構域的位置位于超二級結構和三級結構，有獨特的空間構象，是蛋白質三級結構的基本單位。保守結構域是基因的核心，有重要的功能。采用Smart軟件對綿羊MXD3蛋白保守結構域分析的結果（圖7、表1）表明，綿羊MXD3蛋白的第11～26位、第122～138位、第148～167位氨基酸殘基均為低復雜性區域（Low complexity region）。

2.8? ?綿羊MXD3蛋白親疏水性分析

通過Prot Scale軟件判斷綿羊MXD3蛋白親疏水性發現，綿羊MXD3蛋白疏水性在氨基酸第14位表現最大值1.667，在第46位表現最小值 -3.444，在0以下的氨基酸更加密集（x ＜ 0為親水性氨基酸），且|3.444| ＞ |1.667|（圖8），可知綿羊MXD3蛋白是親水性蛋白。

2.9? ?綿羊MXD3蛋白結構預測

2.9.1? ? 蛋白二級結構預測? ? 采用Jpred在線軟件對綿羊MXD3蛋白二級結構分析預測（圖9）可知，α螺旋占比為39.32%，β折疊占比為5.34%，無規卷曲占比為55.34%，無規卷曲占主要地位。

2.9.2? ? 蛋白三級結構預測? ? 蛋白質的三級結構（tertiary structure）是指多肽鏈借助各種作用力，其進一步折疊卷曲成為復雜的球形分子。利用Swiss-model在線軟件對綿羊MXD3蛋白三級結構空間構象進行預測分析發現，綿羊MXD3基因編碼蛋白的三級結構主要由無規卷曲與α螺旋折疊卷曲構成（圖10）。

3? ?小結

綿羊MXD3基因中有1條全長為621 bp的ORF，編碼206個氨基酸殘基。該蛋白分子質量為23 556.50 KDa，亮氨酸、精氨酸含量最多，均為13.59%，理論等電點pI為9.32。綿羊MXD3基因編碼蛋白屬不穩定蛋白質。亞細胞定位分析，綿羊MXD3基因主要在細胞核中發揮生物學作用，均為69.6%。綿羊MXD3基因的氨基酸序列與多種動物高度相似。綿羊MXD3基因編碼產物中不存在信號肽，不是跨膜蛋白，也不是分泌性蛋白。綿羊MXD3蛋白為親水性蛋白。綿羊MXD3基因編碼產物的二級結構由無規卷曲、α螺旋和β折疊構成，其中無規卷曲占主要地位，三級結構主要由無規卷曲和α螺旋折疊卷曲而成。MXD3基因在細胞增殖過程中發揮一定作用，對于腫瘤增殖和癌癥患者中表達異常，對于腫瘤和癌癥預防，治療有重要意義，而其在小鼠和人相關方面研究較多，對于綿羊相關MXD3基因的相關研究有待進一步探索。

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