罗非鱼胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)的生物信息学分析

王伟伟

(山西农业大学 动物科技学院, 山西 太谷 030801)



罗非鱼胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)的生物信息学分析

王伟伟

(山西农业大学 动物科技学院, 山西 太谷 030801)

摘要：为进一步研究罗非鱼胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)的生物学特征，根据NCBI上登录的尼罗罗非鱼的IGF-Ⅰ氨基酸序列，利用相关的软件对其进行生物信息学分析。结果显示，罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白含有182个氨基酸，pI为9.65，脂溶指数为51.98，是不稳定的脂溶性亲水蛋白。二级结构中，60.99%为环，31.32%为螺旋。IGF-Ⅰ蛋白具有信号肽，含有4个二硫键，具有一个跨膜区。IGF-Ⅰ蛋白具有13个磷酸化、16个糖基化和12个泛素化等蛋白质翻译后修饰位点。

关键词：罗非鱼； IGF-Ⅰ； 生物信息学

胰岛素样生长因子Ⅰ(Insulin- like growth factor I，IGF-Ⅰ)结构与胰岛素很相近，属于激素家族，主要由肝脏合成，由垂体中的生长激素刺激其在肝脏中合成和释放，促进有丝分裂，可以在不同的靶器官诱导生长和分化[1]。IGF-Ⅰ是一种重要的生长调节因子，介导生长激素(Growth hormone，GH)的促生长作用。IGF-l 作为重要的内分泌轴GH/IGF的中心[2,3]，可以选择性地与胰岛素样生长因子受体(insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-lR)结合，作用于生长、分化和繁殖等过程。在硬骨鱼类，注射生长激素可以提高肝脏IGF-Ⅰ基因的表达[4]。IGF-l经证实在许多鱼类的性腺细胞中存在，可能参与了性母细胞减数分裂的启动，可以促进性腺组织的体细胞生长。

鱼类IGF-l在调节生长[5,6]、发育[7]、繁殖[8]、免疫[9]和代谢[10]等方面发挥着重要作用，然而IGF-l活性也受到众多因素的调节，蛋白质翻译后修饰就是很重要的一个环节。本研究拟通过预测罗非鱼蛋白质的理化性质、一级结构、二级结构以及蛋白质的翻译后修饰，为进一步研究IGF-l的功能提供科学依据。

1材料与方法

1.1罗非鱼IGF-Ⅰ氨基酸序列的获取

罗非鱼IGF-Ⅰ氨基酸序列(AAC17494.1)来源于NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)数据库。

1.2罗非鱼IGF-Ⅰ序列的生物学信息分析

通过表1网站提供的在线软件对罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白的理化性质、跨膜区、信号肽、蛋白质翻译后修饰、二级结构、二硫键进行预测。

2结果与分析

2.1IGF-Ⅰ蛋白质基本理化性质分析

罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白的基本理化性质见表2。由该表可知，IGF-Ⅰ蛋白由182个氨基酸组成，不稳定系数为63.46，大于40，为不稳定蛋白质。预测的罗非鱼的等电点为9.65，处于碱性氨基酸的范围(7.6～11.0)，说明IGF-Ⅰ为碱性蛋白。罗非鱼IGF-Ⅰ的总平均亲水性为-0.582，脂溶指数为51.98，说明其为亲水性的脂溶蛋白。

2.2IGF-Ⅰ蛋白信号肽预测

运用SignalP软件，运用神经网络(NN)的算法预测IGF-Ⅰ蛋白质中的信号肽，结果如图1所示，IGF-1信号肽位点位于第44和45号氨基酸，即第1至44号氨基酸为信号肽。

2.3IGF-Ⅰ蛋白二级结构预测

PredictProtein预测结果如图2显示，IGF-Ⅰ的二级结构中有31.32%的螺旋(Helix)，7.69%的直链(Strand)和60.99%的环(Loop)。

2.4IGF-Ⅰ蛋白二硫键预测

SCRATCH预测结果显示，IGF-Ⅰ蛋白含有11个半胱氨酸，其中8个可以形成4个二硫键。参与形成二硫键的每对半胱氨酸的具体位置见表3。

2.5IGF-Ⅰ蛋白跨膜区结构预测

IGF-Ⅰ蛋白的跨膜结构如图1所示。经HMMTOP 2.0预测，IGF-Ⅰ蛋白在23～40位氨基酸间具有跨膜性。经TMHMM预测，结果如图3，IGF-Ⅰ的20～40位的氨基酸是跨膜区。

2.6IGF-Ⅰ蛋白的翻译后修饰

2.6.1O-糖基化位点

通过NetOGlyc 4.0 Server可以得出在罗非鱼IGF-Ⅰ氨基酸序列中36、38、40、42、112、114、121、130、131、137、141、148、155、159、170、171这16个位点均是潜在的O-糖基化位点。

2.6.2N-糖基化位点预测

N-连接糖基化就是肽链氨基端糖基化，如图4所示，临界值是0.5，这个序列中没有预测到N-糖基化位点。

2.6.3磷酸化位点预测

如图5所示，预测共有19个磷酸化位点，13个丝氨酸(Ser)，4个苏氨酸(Thr)和2个酪氨酸(Tyr)。

2.6.4泛素化位点位

UbPred对罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白泛素化位点的预测结果见表4，灰色阴影部分就是潜在的泛素化点赖氨酸(Lys，K)。罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白有12个泛素化位点。

2.7三级结构

在蛋白质结构数据库中没有找到与尼罗罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白同源且完整结构的三级结构模板，通过SWISS-MODEL只预测出45～112氨基酸的空间结构。如图6所示，主要由为数不多的自由卷尺和α-螺旋组成。

3讨论与结论

3.1IGF-Ⅰ蛋白的一级结构和功能

鱼类IGF-Ⅰ蛋白不仅与生长有关，而且参与代谢、发育、繁殖、渗透调节以及免疫过程。IGF-Ⅰ蛋白包含B、C、A、D、E 5个区域和信号肽[2]： B区域包含29个氨基酸，C区域包含10个氨基酸，A区域包含21个氨基酸，D 区域包含8个氨基酸，E区域包含69个氨基酸，信号肽包含44个氨基酸[20]。引导新合成肽链转移到内质网的一段多肽为信号肽，信号肽和E区域会被水解酶除去以产生68个氨基酸的成熟的IGF-Ⅰ，成熟的IGF-Ⅰ被释放到血液里去发挥作用[21]。B和A区域在物种间保守性很强[22]，有助于这些区域的功能发挥，如参与IGF-Ⅰ[23]和它的受体以及IGFBP[24]的绑定。IGF-Ⅰ蛋白包含有4个二硫键，二硫键是一种比较稳定的共价键，由两个半胱氨酸(Cys)残基的2个硫原子形成，有助于蛋白质分子的立体结构的形成。在成熟的肽链上有6个保守的半胱氨酸残基，2个在B区域，4个在A区域，在所有的脊椎动物上都可以观察到，它们负责维持蛋白质的三级结构[21]。

3.2蛋白质的翻译后修饰和IGF-Ⅰ的功能

糖基化是在内质网中上糖基转移酶的控制下进行的一种蛋白质翻译后修饰方式，主要蛋白质特定氨基酸残基上结合糖链[25]，是翻译后修饰最重要的内容，在生物体存在糖基化现象的蛋白质占到50%以上[26]，包括N-糖基化和O-糖基化两种形式。O-连接的糖基化是在糖基转移酶催化作用下，在多肽链的羟基的氧原子上结合糖链。N-糖基化是在蛋白质的天冬酰胺的自由NH2端连接糖链。蛋白质的糖基化会影响蛋白质的运输、折叠、定位和构象的稳定性，蛋白质经糖基化后热力学稳定性增强，溶解性增加，蛋白质受到糖基的保护，从而免受蛋白酶的降解，蛋白的聚集作用也被抑制。IGF-Ⅰ蛋白没有N-糖基化位点的存在，有16个O-糖基化位点，该蛋白可以通过糖基化改变多态链的结构，增加蛋白质的稳定性。

磷酸化是最重要也是最常见的一种蛋白质翻译后修饰方式，在蛋白质特定的氨基酸残基上在磷酸转移酶的作用下加入一个带有强负电的磷酸基团，改变了蛋白质的构型，影响其活性和稳定性，从而调节基因表达和信号传导等生物学过程。蛋白质磷酸化在丝氨酸(Serine，Ser)上发生的最多，其次苏氨酸(Threonine，Thr)，酪氨酸(Tyrosine，Tyr)上发生的相对较少[27]。罗非鱼的IGF-Ⅰ含有13个丝氨酸(Ser)，4个苏氨酸(Thr)和2个酪氨酸(Tyr)，该蛋白可以通过在这些位点发生磷酸化来改变蛋白活性，从而调控生物学过程。

泛素化是泛素分子在泛素激活酶、连结酶和结合酶等酶作用下将细胞内的蛋白质分类，再筛选出靶蛋白分子进行特异性修饰，有利于蛋白质的定位、代谢、调节、降解等功能的发挥[28]。在罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白中预测到有12个泛素化位点，这些位点可能影响IGF-Ⅰ蛋白的功能或者改变蛋白的活性，使其生物学效应发生改变。

本研究分析尼罗罗非鱼IGF-Ⅰ蛋白的特征为：loop环和α螺旋是主要的二级结构，是一次跨膜的蛋白，也是亲水性的脂溶蛋白，有多个O-糖基化和磷酸化的蛋白质翻译后修饰位点，为进行IGF-Ⅰ蛋白的功能研究奠定了基础。

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(编辑：武英耀)

Bioinformatics analysis of insulin-like growth factor-Ⅰ (IGF-Ⅰ) in nile tilapia

Wang Weiwei

(CollegeofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Key words:Nile tilapia; IGF-Ⅰ; Bioinformatics analysis

Abstract:In order to study the biological characteristics of IGF-Ⅰin tilapia, bioinformatics were analyzed using biology softwares, according to amino acid sequence of tilapia IGF-Ⅰfrom NCBI. IGF-Ⅰof tilapia was composed of 182 amino acid residues. The theoretical Pi and aliphatic index was 9.65 and 51.98, respectively. IGF-Ⅰwas basic, fat-soluble and unstable protein. There were 60.99% loop and 31.32% in IGF-Ⅰ secondary structure. There were a signal peptide and four disulfide bonds in IGF-Ⅰ. It had one transmembrane. There were some post-translation modified sites in IGF-Ⅰ, including 16 O-glycosylation site, 13 phosphorylation sites and 12 ubiquitination sites.

收稿日期：2016-03-23 修回日期：2016-04-06

作者简介：王伟伟(1979-), 女(汉), 硕士， 讲师, 研究方向：水产动物遗传与育种

基金项目：山西农业大学创新基金(2010025)

中图分类号：S937.3

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)06-0422-06