中国畜牧兽医2018,45(3):559 570 China Animal Husbandry&Veterinary Medicine doi:10.16431,1。cnki.1 671—7236.2018,03,001 山羊PPARa基因克隆、分子特性及 组织差异表达分析 饶辽源,周靖宣,王林杰,李 利,张红平,仲 涛 (四川农业大学动物科技学院,成都611130) 摘要:试验旨在克隆山羊过氧化物酶体增殖物激活受体d(peroxisome proliferators—activated receptors—alpha, PPARa)基因的CDS区序列,分析其编码蛋白的结构与功能,并探讨其在山羊不同组织中的表达模式。采用RT- PCR方法扩增并克隆PPARa基因CDS编码区;通过在线软件对其一级结构、二级结构和三级结构进行生物信息 学分析;利用基因序列和编码蛋白构建系统发育树,进行系统发育进化分析;采用实时荧光定量PCR方法检测 PPARcL基因在简州大耳羊心脏、肺脏、肝脏、肾脏、脾脏和网膜6个组织中的相对表达情况。结果表明,山羊 PPARa基因CDS区全长1 413 bp,结构稳定,共编码470个氨基酸。生物信息学分析发现,PPAR ̄蛋白是一种结 构较为稳定的带负电的亲水性蛋白,以a一螺旋和无规则卷曲为主,无信号肽和跨膜蛋白,属于膜内蛋白。蛋白序列 中总共有49个磷酸化位点,9个糖基化位点。保守结构域中含有明显的DBD区域和LBD区域,蛋白结构高度保 守。三级结构预测发现其蛋白结构主要为通过长链卷曲连接的2个明显不同的结构区域,结构均以helix螺旋为 主。序列比对结果表明,山羊PPAR ̄氨基酸序列与绵羊和牛的同源性最高。实时荧光定量检测结果表明, PPARe ̄基因在肾脏和肝脏中表达量较高,显著高于其他组织(P<0.05);在网膜组织和心脏中中度表达,显著高于 肺脏和脾脏(P%0.05);在肺脏和脾脏中相对低表达;说明山羊PPAR 基因可能与体内脂肪氧化、脂质代谢和抗 氧化应激等功能有关。试验结果为深入研究PPARa基因在山羊中的生理功能和机制奠定了理论基础。 关键词:山羊;PPARa基因;克隆;生物信息学;差异表达 中图分类号:Q78 文献标识码:A 文章编号:1671—7236(2018)03—0559~12 Cloning,Molecular Characteristics and Differential Expression Pattern of PPARa Gene in Goats(Capra hircus) RAO Liaoyuan,ZHOU Jingxuan,WANG Linjie,LI Li,ZHANG Hongping,ZHONG Tao (College of Animal Science and Technology, Sichuan Agricultural University,Chengdu 6 1 1 1 30,China) Abstract:This study was aimed to clone the CDS of goat peroxisome proliferators—activated receptors—alpha(PPARa)gene,analyze the structure and function of its encoding protein,and dis— CUSS its expression pattern in different tissues.In this study,the CDS of PPARa gene was ampli— fied and cloned by RT—PCR,its primary,second and tertiary structures were analyzed by online bioinformatics softwares.Phylogenetic tree was constructed and then used to perform the phylo— genetic analysis.Six tissues,including heart,lung,liver,kidney,spleen and omentum,were collect— ed from Jianzhou Da’er goat to determine the relative expression pattern of PPARa by Real—time PCR.The results showed that the CDS of PPARa gene was 1 413 bp in length encoding 470 ami— no acids,which was a kind of stable hydrophilic protein.Bioinformaties analysis suggested that the 收稿日期:2017-09 15 基金项目:国家自然科学基金项目(31501936);四川农业大学本科生科研兴趣培养计划项目(2016203) 作者简介:饶辽源(1996一),男,四川南充人,学士,研究方向:动物遗传育种与繁殖,E—mail:rly19960602@163.corn *通信作者:仲涛(1981一),男,河北保定人,博士,研究方向:动物遗传育种与繁殖,E—mail:zhongtao@sicau.edu.cn 56O 中 国畜牧兽医 second structures of PPARa protein were mainly d—helix and random coil。and 9 potential glycosy— lation sites and 49 phosphorylation sites were also revealed.The signal peptide and transmem— brane domain were not existed in PPARd protein,however,there were obviously conserved DNA— binding and ligand—binding domains.Two different structure enrichment domains were connected by a long chain crimp link and generally consisted of helix structure in the tertiary structure. PPAR ̄amino acid phylogenetic trees indicated that goat had a highly homology with sheep and cattle.PPARa gene mRNA were expressed in all the collected tissues and the highest expression was found in kidney and liver,which were significantly higher than those in the other tissues(P< 0.05).There were moderately relative expression in heart and omentum,while there were the lowest relative expression in lung and spleen.The results showed that the differential expression pattern of P PAR cL gene in goat might associate with the physiologic function and regulation mechanism,such as fat oxidation,lipid metabolism and anti—oxidative stress.This study would provide a theoretical foundation for further research on physiologic function and regulation mech— anism of PPARc ̄gene in goats. Key words:goat;PPAR a gene;clone;bioinformatics;differential expression 过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators—activated receptors,PPARs)是指一类 能被过氧化物酶体增殖物(peroxisome prolifera— 为配体结合域(1igand—binding domain,LBD)C1 3]。 PPARa在心肌细胞、肝脏细胞、肠细胞、肾脏近端小 管细胞和骨骼肌中表达活跃,此外在血管内皮细胞、 tors,PP)和脂肪酸等激活并产生多种效应的甾类激 平滑肌细胞、巨噬细胞、T淋巴细胞等中也有表 达 ]。PPARa能够被过氧化物增殖物、脂肪酸类 素受体口],属于类固醇受体超级家族的一员 。根 据其结构功能的不同可分为PPAR 0:、PPAR ̄和 PPAR7 3种亚型受体,它们均由不同的基因编码。 等天然配基和人工PPAR o:激动剂如安妥明等药理 性配基激活,基因激活后,诱导位于启动子区域的 PPRE的转录,进而产生应答反应,同时还可以调节 PPARs主要通过与类视黄醇x受体组成异源二聚 体,结合到过氧化物酶体增殖物反应元件上,进而引 起内部构象的改变,诱导过氧化物酶体增殖体相关 基因的表达_3],在脂质代谢和脂肪细胞分化上具有 重要的作用 ]。研究表明,PPARs与人体和动 物多种重要代谢疾病如糖尿病、肝病、炎症、动脉粥 硬化、肥胖和癌症的治疗有密切的联系[5。]。 与过氧化物酶体及线粒体脂肪酸8氧化相关基因的 表达 。 PPARa为脂质代谢的主调节器,大量相关 基因,功能主要表现在线粒体和过氧脂肪酸氧 化、酮生成、甘油三酯代谢和胆汁合成/分泌等,在维 持心肌细胞能量代谢方面有一定的作用,且在相应 组织如肝脏、心脏内多种分泌蛋白的表达,发挥 内分泌功能_】 ]。PPARa是脂肪酸氧化酶基因的 PPARs在血管平滑肌细胞、血管内皮细胞、动脉粥样 斑块和单核巨噬细胞内均有分布,在脂质氧化活跃的 组织(如心脏、肝脏、肾脏和脂肪组织等)中表达量较 高l8。 。大多数组织中PPARa、PPAR ̄和PPAR7共 主要转录子,通过接受外来脂肪酸配体进而产 生效应,主要作用于肝细胞,是多种分子调节机制的 关键点,在生理代谢和疾病机制中起重要作 用_l 。研究发现,当小鼠缺乏PPARa并饲喂高 同表达,具有高度同源性,但每个亚型在不同组织中 表达和配体专一性存在差异,在胚胎和成人中表达模 式也不尽相同l_7 。 脂肪的食物时,PPARa表达抑制,更容易受到非酒 精性脂肪型肝炎(NASH)的影响,增加脂肪肝细胞 变性和炎症的发生概率I1 。PPARa基因敲除后导 致脂质过氧化损伤,其显著增加的氧化应激导致肌 PPARa是PPARs家族中发现的第一个亚型受 体,在人中由468个氨基酸残基组成,定位于人的第 22号染色体 。该基因共具有6个区域包括4个 功能区(A/B、C、D、E/F),A/B区位于氨基末端,含 有活化功能域AF一1(activation function 1),C区是 球蛋白功能紊乱,会引起心肌收缩功能紊乱等症 状 ,而心肌细胞KLF5基因与启动子直接结合激 活下游的PPARa,进而心肌能量代谢 ¨。血 DNA结合域(DNA-binding domain,DBD),E/F区 3期 饶辽源等:山羊PPAR 基因克隆、分子特性及组织差异表达分析 561 红素加氧酶一1(HO一1)是一种应激反应蛋白,由氧化 dorf公司;PCR仪、荧光定量PCR仪、GelDoc TMEQ170—8060全自动凝胶成像系统均购自Bio- 物诱导产生,具有抗氧化作用,激活PPAR ̄能够显 著上调酒精性肝损伤大鼠模型HO一1的mRNA及 蛋白表达,进而减轻氧化应激[2 。这些现象表明, Rad公司;DYY-8C型电泳仪购自北京市六一仪器厂。 1.3总RNA提取与反转录 用液氮研磨约100 mg的肾脏组织样品,采用 Animal Total RNA Isolation Kit提取样品总 PPARa对维持肝脏细胞、心脏细胞内氧化物稳态和 心肌能量代谢起重要作用。相关试验表明,碳水化 合物原件与PPARa受体结合在肝脏中调节脂质代 谢,尤其是褐色脂肪的发生_2引,在猪中PPARa作为 转录基因参与脂肪酸氧化,可以导致脂肪沉 RNA。将提取的总RNA用2.0%琼脂糖凝胶进行 电泳检测,并采用核酸蛋白仪检测其质量与浓度,要 求A260 /A280 >1.8。使用PrimeScript Rea— 积口 。说明PPARa的缺乏或表达受抑,可引起一 系列与肝内脂肪酸代谢有关的蛋白质、脂肪、酶基因 的转录与合成发生异常。 除此之外,PPARa受体激活后,具有调节内皮 功能、提升胰岛素耐受性及抗炎症等作用,从而发挥 抗动脉粥样硬化、调节血糖、治疗糖尿病和肝病等生 理作用【_2引。目前,PPAR、PPARa基因在人、小鼠、 大鼠中的研究较为深人,但有关草食动物如牛和绵 羊中的研究还较少l2 ,而关于山羊PPARa基因序 列分析和在不同组织中差异表达的研究鲜有报道。 鉴于此,本试验以简州大耳羊为研究对象,克隆山羊 PPARa基因序列,预测分析其编码蛋白的结构与 功能,并探究其在不同组织中的表达情况,从而为 PPARa基因在山羊脂肪分化、脂质代谢和抗氧化 应激功能研究提供基础资料,为进一步探讨山羊体 内脂肪代谢和抗氧化应激的机制提供参考。 1材料与方法 1.1试验动物 从四川简阳市简州大耳羊育种场随机选取3只 3月龄无亲缘关系的健康母羊,屠宰后立即取心脏、 肺脏、肝脏、肾脏、脾脏和网膜6个组织样品。将各组 织切成1 cm3的小块,用灭菌的生理盐水冲洗后,迅 速投入液氮中冷冻,带回实验室后--80℃保存备用。 1.2主要试剂及仪器 Universal DNA Purification Kit、Animal Total RNA Isolation Kit、PrimeScripRT Reagent Kit、通用 型DNA胶纯化回收试剂盒、2×Real PCR Easy Mix—SYBR和SYBR@Premix Ex Taq 1I均购自 TaKaRa公司;酵母提取物、2×Taq PCR Master Mix和DL2000 DNA Marker均购白天根生化科技 (北京)有限公司。 微量可调移液器、低温离心机均购自Eppen— gent Kit进行反转录操作,将反转录获得的cDNA 于~2O℃保存备用,RNA于一80℃保存备用。 1.4引物设计及合成 根据GenBank数据库中公布的PPARa基因 mRNA序列,分别选取牛(Bos taurus,登录号:NM一 001034036.1)、绵羊(Ovis aries,登录号:XM一 015095065.1)、人(Homo sapiens,登录号: CR457435.1)3个物种PPARa基因mRNA序列, 对比分析其保守区域,利用Primer Premier 5.0软 件设计3对引物用于PCR扩增及克隆测序;再根据 克隆测得的山羊PPAR ̄基因CDS区全长序列及 看家基因 ̄-actin序列,设计实时荧光定量PCR引 物,引物信息见表1。引物均由成都擎科生物科技 有限公司合成。 1.5 目的基因克隆与测序 采用RT—PCR方法以cDNA为模板扩增 PPA.RⅡ基因全长CDS区,得到3段具有重叠区域 的mRNA扩增片段。PCR扩增体系3O L:2× Taq PCR Master Mix 15肚L,上、下游引物 (10>mol/L)各1 L,cDNA 1.5 L,ddH2 o 11.5,uL。PCR反应条件为:95℃预变性5 min; 94℃变性30 S,退火(退火温度见表1)30 S,72℃延 伸1 min,35个循环;72℃延伸7 min;12℃保存。 PCR产物经1.0 琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物, 利用Universal DNA Purification Kit纯化目的片 段。将目的基因产物与pMD19-T载体于l6℃连 接2 h,转化大肠杆菌DH5a感受态细胞,挑选阳性 菌落经PCR鉴定后送成都擎科梓熙生物技术有限 公司进行测序。 利用DNAStar软件和人工拼接得到PPARa 基因序列。将测序结果与其他物种PPARa基因 CDS区序列(表2)进行比对,确认测序质量并得到 PPARa基因CDS区域序列信息。 562 中 国 畜 牧兽 医 45卷 表2其他物种PPARa基因CDS区信息表 Table 2 Coding sequences of PPAR旺gene in other animals 1.6腿ARa基因序列分析与结构功能预测 线软件(http://www.cbs.dtu.dk/services/sig— naI P/)进行蛋白信号肽分析;利用在线软件(http: f .genseript.com/psort/wolf—psort.html/、 进行蛋白亚细胞定位分析;利用在线软件(http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb. 对山羊PPARa基因CDS区进行序列分析和 蛋白生物信息结构功能预测:利用DANMAN软件 进行序列基本分析;利用在线软件(http://web.ex— pasy.org/protparam)进行蛋白一级结构分析;利用 NCBI BLAST在线软件与Mega 5.0软件进行同源 性比对分析和系统进化树构建;利用在线软件(ht— cgi)进行蛋白序列保守结构域分析;利用在线软件 (http:∥www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/) tps://npsa—prabi.ibcp.fr/cgi—bin/npsa—automat. pl?page=/NPSA/npsa—seccons.htm1)进行蛋白 进行蛋白跨膜区预测;利用在线软件(https:// swissmode1.expasy.org/)进行蛋白三级结构预测。 1.7基因检测表达 二级结构分析;利用在线软件(http://www.cbs. dtu.dk/services/NetPhos/)进行蛋白磷酸化位点分 实时荧光定量PCR反应体系1O I :SYBR@ Premix Ex Taq州II 5 L,上、下游引物各0.3 L, 析;利用在线软件(http://www.cbs.dtu.dk/serv— ices/NetOGlyc一3.1/)进行糖基化位点预测;利用在 cDNA模板0.6 L,ddH2 0 3.8 I 。PCR反应程 3期 饶辽源等:山羊PPARa基因克隆、分子特性及组织差异表达分析 563 序:95℃30 S;95℃5 S,60.4℃30 S,35个循环; 熔解曲线分析:95℃15 S,以0.5℃/s从65℃上升 到95℃。实时荧光定量PCR扩增反应在CFX96 2.2 PPARa蛋白结构分析 2.2.1 PPARa蛋白一级结构 利用ProtParam tool程序预测PPAR 蛋白的一级结构和部分理化 性质,结果发现,山羊PPARc ̄基因编码470个氨基 酸,分子式为C H。 N 。O 。。S ,分子质量为 荧光定量PCR仪上进行检测。利用2 △c 法分析 试验数据,并用SAS 8.0软件的GLM过程进行最 小二乘分析,Duncan氏法进行多重比较,以P< 52.3 ku,等电点(pI)为5.77,负电荷残基(Asp+ 0.05为差异显著性判断标准。 2 结 果 2.1 PPARa基因CDS区全长克隆与测序 以反转录得到的肾脏组织cDNA为模板,采用 RT—PCR方法扩增PPARa基因全长CDS区,经 1.0 琼脂糖凝胶电泳检测,获得片段分别长约367、 1 317和973 bp(图1),与预期目的片段大小相符。 测序后得到3个片段包括全长CDS区、部分 5 UTR和3 UTR区,拼接后得到基因片段长 1 761 bp。对测序结果进行分析,并与其他物种 PPARa基因CDS区参考序列进行比对,发现山羊 PPARa基因CDS区全长1 413 bp,终止密码子为 TAG,共编码470个氨基酸残基(图2)。将序列提 交至GenBank,登录号为:MF一802289。将序列编 辑人DNAMAN软件后发现,A、C、G、T含量分别 为25.05 (354个)、27.32 (386个)、26.75 (378个)、20.88 (295个),GC含量(54.07 )高 于AT含量(45.93%),说明编码区的DNA双链较 为稳定。 1 C 2 C 3 C M 1,PPARa一1扩增产物;C,阴性对照;2,PPARa一2扩增产 物;3,PPARd一3扩增产物;M,DL2000 DNA Marker 1,PCR product of PPARd一1;C,Negative control;2,PCR product of PPAR 一2;3,PCR product of PPARm3;M, DL2000 DNA Marker 图1 PPARⅡ基因PCR扩增产物电泳图 Fig.1 Electrophoretogram of PCR products of PPARa gene Glu)为62,正电荷残基(Arg+Lys)为52,说明 PPARa蛋白为带负电、稳定的亲水性蛋白。不稳定 系数(11)为47.49,说明PPAR 蛋白比较稳定。平 均亲水性(GRAVY)为一0.196,脂肪系数(AI)为 84.89。PPARa蛋白的氨基酸末端(N)残基为甲硫 氨酸(Met),因此满足“N端学说”。 2.2.2 PPARa蛋白二级结构 利用NPS@在 线预测PPARa蛋白的二级结构,结果见图3。由图 瑚 m珊 喜3可知,PPARa蛋白氨基酸序列含48.5l 一螺旋 (alpha helix)、8.51 延伸链(extended strand)、 42.98 无规则卷曲(random coil)。 2.2.3 PPAR 蛋白序列保守区域与跨膜蛋白 利用NCBI工具预测PPARa蛋白序列保守区域 (conserved domains),结果显示,在lO3~186位氨 基酸之间存在DBD区域(DNA结合域),在203~ 469位氨基酸之间存在LDB区域(配体结合域) (图4A)。利用TMHMM Server v.2.0分析PPARa 属于非跨膜蛋白或膜内蛋白。 2.2.4 PPARa蛋白磷酸化位点预测 利用 NetPhos软件预测PPARa蛋白磷酸化位点,结果 发现,其磷酸化电势阈值基本上为0~l,当磷酸化 电势位于红线上方即阈值>0.5时,则该位点有可 能被磷酸化(图4B)。山羊PPARa蛋白470个氨基 酸中,可能被磷酸化的位点共有49个,包括28个丝 氨酸(Ser)位点、15个苏氨酸(Thr)位点及6个酪氨 酸(Tyr)位点,其中丝氨酸接近磷酸电势1的比例 最大,这些丝氨酸位点被磷酸化的概率非常大,主要 集中在0和100位氨基酸处。 2.2.5 PPARa蛋白糖基化位点预测 利用 Net Phos软件预测PPARa蛋白糖基化位点,结果 发现,9个糖基化位点分别位于6、71、73、75、78、 81、79、82、84位氨基酸处,主要集中于75位氨基酸 左右(图4C)。利用SignaLP 4.1程序预测PPAR ̄ 蛋白质的信号肽,结果发现其剪切位置分值(C— score)、信号肽分值(s—score)和Y分值(Y—score)分 值均小于基准阈值0.5,预测山羊PPARa蛋白没有 信号肽。利用PSORT预测山羊PPARa蛋白亚细 胞定位结果,发现细胞质(cytoplasmic)占47.8%; ; 564 中 国畜牧兽医 45卷 细胞核(nuclear)占3O.4 ;线粒体(mitochondria1) 占13.O ;内质网(endoplasmic reticulum)占 10 4.3 ;高尔基体(golgi)占4.3%,由此推测PPARa 蛋白可能是在细胞质中发挥作用。 70 8O 90 100 l1O 120 llc^^G^G^TlTcf 20 30 4O 50 60 舂l翰 矗l G ii嚣l 套T嚣g l 扩L S p L藏点 套L蠢S铲L S矗 F L Q露鬻G T I Q E I S l30 140 150 160 170 180 190 200 2lO 220 230 240 皤Tl:l S I 嚣 S S TTTl 蜘矗点董6 鳊 S F S F T越 磕 茹G^蝣1% G S瞄 P 6 S 300 3l0 Tl盯l点c蝣^c^occ1GTc∞ G S V 重 蕈 静 f L S 320 330 340 l ∞cc ^ S S P 350 360 丑童 250 S S 矗 S 260 270 280 290 l馐 P 赢 P 鑫 S 轰譬 嚣 S S S 童 赢 l_ 辩 ∞ 越 e 纛I C 6 D鬣点S露 棚 囊 0aOG 慧城搿=^ ll T G 370 380 390 400 410 lI= 420 蠡f; 430 440 450 460 470 480 C 襄{; e 麓 嚣 擎 囊R t I 羲 嚣 k 警 套 巍C 黔 巍 S e l 嚣 麓 蕞R 麓 C Q C R誉 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 磊cG 瞄 ∞cGTc^o∞^ fcJI。∞瞄警T。Gcc^蹒∞c^.f。cc埘∞ 张 l0e躺 翻 G 。Gll 鲥髓:cA 盯l T S 嚣l T嚣l_T纛 ^ S I p 6 A l_ 辩霜Q l 麓 G Y岂点I 1330 蟊 嚣耩赢 1340 lG V 1350 ^蝎^| 麟l 1360 1370 % 1380 1390 1400 1410 e CTO; ^ ∞5^c∞粼l6c c^ 蛾l囊c蝣直I; ^1喀I^c A T嚣 S驺 点赢k联 L Q嚣 黧Y飘 黛 肄 下划线,保守结构域;*,终止密码子 Underline,Conserved domains;*,Termination encoding 图2 Ⅱ基因CDS区序列全长和编码氮基酸 Fig.2 CDS sequence of PPARn gene and its encoding amino acid sequence {蹲 跷辽源 :JI』 P,’ Ra基 克降、分r特性及 织羞蚌表达分析 565 50 100 15O 200 250 300 350 400 450 j{{宽线段.兄姚l』!lJ醛『f11;宽线段.延伸链: 线段.。螺旋 I'hc wi(1cst nlOlll·Ra,1(i()13l coil;Wide 、gilleill,Extended l rDi]d:Narrow segn1( nf.Alpha helix 图3 PPAR ̄蛋白二级结构预测 l i£.3 Secondary structure prediction of PPARa protein 75 150 225 600 375 450470 zi 洲 b ndi e r l l l igand binding s iteL一…一.,ngSit‘土±乱 一 ^ U一一 n6 site u 1mer 1 tn ter■薯 ac~一el一 目|^ 一|_鹾蓖 豳霞黼鞠豳豳豳黧麓黼豳圈豳嘲疆黼黼l”ietem茸 crod1 em nr。 1 t ter aCe l譬re oo g唑 “e 。l NRnB ljike sup.erfa… ̄ily~ 一 BO。 erf8I]【ly A q) 0 求 0 50 lO0 15O 200 250 300 350 400 450 位置Position B hTh __ ; S e r e e O O S r yr _1一 — {r n Sh 1.1 0 一— 0 e e ed n n n1 . —一 U ∽ 一 :酱 一 一一一 0 5O lOO l5O 200 250 300 350 400 450 位置PositiOil C 图4 PPARa蛋白保守结构域(A)、磷酸化位点(B)和糖基化位点(C)预测 Fig.4 rhe conserved domains(A)一phnsphorylation sites(B)and glycosylation sites((、)of PPARa prntein 2.2.6 I I’AR篮 级结构 利 Swiss t m c 预测PPARa赁h二级结构.结果衷明,其蛋 I i 主安分为2个叫 不同的结构 域.主要以 …(1~J 氦揍酸为分 【)(=域,通过无规则卷曲连 接.if'j:个结构均以helix螺旋为主(罔5)。 2.3 物种间PPARa氨基酸同源性比对及系统进 化树分析 利刑 31 If1 BI AST对山羊PPAR oc氨基酸 J 州( 录号:MF 802289)与牛(臀求号:NM 【)()1 03 r1036.1)、绵 ( 求号:XM 0l 5095065.1)、 图5 PPARa蛋白三级结构预测 野牛( 录 :XM01 083761 8.1)、驴( 录号:XM Fig.5 The tertiary structure prediction of PPARa protein 566 01_864 L4 65.1)、人( 求 :CP,457435.1)、骆驼(登 求 :NM0061 76662.2)、猪(登录号:NM 2.4 PI'AR ̄t基因在山羊不同组织中的表达情况 以f3 “il 作为1人J参 .利川实时荧光定 ()()1 0,t 4526.1)、人鼠( 录号:NM 01 31 96.1)、小鼠 ( 求号:NM()Ol 1 13,1 1 8.1)及猕猴(登求号:XM PCR检 1,’P/、R 』l f人I I【J y-6币fJ绀 l(Hr 崆、 F 脏、心且n 、脾叭、网膜干¨‘ 脏)rIl的mI4NA丧达键.结 果见罔7。… 7 I{J‘ .j PARa蚺 mRN. 肾 01 51 50552.1)PI ARa氨恭腋序列进行同源性比 刈‘。 利川Mega .0卡勾建系统进化树.结果见 6。 … 6¨J 知.III PI .ARa氦基酸序列与绵 秆l牛 的¨源 最高.亲缘炎系由专近. 骆驼、猪次之.符合 物种进化规律和分类 。 脏和IH:tif!IIl 达 较高.傲{II f 、 r 其他组织(P0 0.01);6-: 0 fII心脏Ii1太丛艟 蔷I j:肺毗f11啤凡噍 (,】<0.05);  ̄l,li叭f¨『】,It叭lf 艟较低。 人flomo sapiens 猕猴Macaca mulatta 小鼠Mus musculUS 人鼠Rattus norvegicu 驴Eq UUS asinus 猪Sus scrofa 骆驼CamelUS ferus 牛Bos taurus 野,I:Bison bison biSO 绵羊OviS arias III羊Capra hircus 图6 pPARu氨基酸序列系统进化树 Fig.6 PhylnRenelic tree constructed I)ased on PPARa amino acid sequence 专 罩 肺脏Lung f,J /f 川小 肝脏Liver 脾脏Slpeen肾脏Kidney嘲膜Omentum心脏Heart ; 大 i彳母丧,':燕蚌搬{f1{l (, 、o.【11); 冲 中¨M j,:f:j_ 爪 太爪謦异 孛}(,) ().05); 4 {Il!. ’(,’ 、0.o ) Val【l【 with(1ifferem small l(。tier s LIt)erscriI)Is n1ca T1 significant differ ̄、11 (,’ 、 005):With diffv、rL—I1t L?at)lt,Il l L 1t(、r Il .I儿’rs(’rip1 IIIC2tI1 exl rcrl1 ly significant diffe,。cDce(P<二().01);While wilh“1(一s;ln1 letI【 r Sti[)(、r 【,l‘ipts I1lt fln lIO igl1ifj ‘、 …1(1iff【、Fel1( 【、(P ().05) 图7 PI'ARct基因在山羊不同组织中的表达量 Fi 7 Expression level of PPARa gene in different tissues of goats 维持体1人J II! 的” 质代谢卡¨脂肪铽化功能.并 宵 3 讨 论 I I’ARa足脂胁卡f1父代谢渊 的重要物质,能够 一定的抗瓴化J、 激功能,与脂质代 卡『1火的疾病尤 其是动脉俐硬化、糖 病和JJI 痫等的发,fi 有重要 3期 饶辽源等:山羊PPARa基因克隆、分子特性及组织差异表达分析 567 的联系_2 。目前,对草食动物尤其是山羊PPARa 基因的研究报道较少,探究该基因对草食动物相关 脂质代谢疾病的研究具有重要意义。本试验参考 牛、绵羊和人的PPA尺a基因保守序列设计引物,运 用RT—PCR扩增技术得到了山羊PPARc ̄基因 基化位点大致位于75位氨基酸附近。蛋白磷酸化 是蛋白最重要的修饰方式,是指通过蛋白激酶的作 用获取底物ATP的磷酸基的过程,在细胞信号转 导等过程中起重要作用l3 。蛋白糖基化是蛋自修 饰的一种重要方式,主要是指在相关酶的控制下,让 蛋白质或脂质附加上糖类的过程,主要发生于内质 CDS区的完整编码序列,利用生物学软件对其进行 相关的生物信息学预测,同时采用实时荧光定量 PCR技术对其在山羊不同组织中表达情况进行 检测。 本研究将山羊PPARa基因与其他1O个不同 物种进行比对,发现碱基数目差异不大,说明该基因 比较保守,构建的系统进化树和氨基酸比对结果表 明,山羊PPARa与绵羊和牛的同源性最高,亲缘关 系最近,符合生物进化特性。信号肽预测发现, PPARa蛋白无信号肽,说明该结构不具有把蛋白质 引导到不同膜结构的亚细胞器内的功能。跨膜预测 发现其无跨膜蛋白,说明其蛋白成分在膜上分布较 少,没有发生跨膜现象。亚细胞定位预测发现其主 要在细胞质内发生作用,因此综合推测其为膜内蛋 白,与已有研究相符,说明PPARa蛋白可通过接受 外来传人的信号,参与细胞内的代谢,从而维持 细胞的脂质稳态等 。蛋白结构预测发现,其蛋白 保守结构域中103~186位氨基酸之间存在DBD区 域(DNA结合域),在203~469位氨基酸之间存在 LBD区域(配体结合域)。DNA结合域形成可以特 异识别并结合DNA的结构,结合已有证据表明,山 羊中该部位属于PPARa蛋白中功能区的C区l1 , 主要参与机制和刺激基因表达等,该部位主要 含有赖氨酸、精氨酸和组氨酸等极性带正电氨基酸。 预测所得的PPARa配体结合域主要位于编码蛋白 后段,该部分属于PPARa蛋白功能区的E/F区,发 挥配体结合功能,说明山羊该部位符合被相关的酶 或其他激活因子激活进而参与身体生理代谢反应的 特性口 。该配体激活因子除了过氧化物增殖物之 外,还有脂肪酸如花生四烯酸、亚油酸等长链不饱和 脂肪酸、聚合和氧化型脂肪酸,新人工开发的 PPAR 激动剂及吲哚美辛和其他非甾体类抗炎药 也可以使其产生一定激活效应l_5 。但由于配体间 差异,一些配体与PPARn结合后途径不同,导 致构象发生改变,进而产生不同的抑制或激活效 应 ,且不同物种间配体的结合、激活和生理功能 也有差异L3 。磷酸化位点预测发现,其磷酸化位点 共为49个,主要位于前100位氨基酸,氨基酸糖基 化位点预测表面存在9个明显的糖基化位点,且糖 网。蛋白质经过糖基化作用形成糖蛋白,能够抵抗 消化酶的作用、赋予蛋白质传导信号和使某些蛋白 正确折叠,对调节细胞功能具有重要作用_3 。根据 结构域预测,这些位点属于PPARa的4个功能区 中前段的A/B区,该部位含有活化功能域AF一1 (activation function 1)口引,主要发挥活化蛋白产生 效应等功能。因此,推测山羊PPAR a蛋白该部分 主要为活化功能部位,该区域活化之后,将引起相关 的信号传导,使蛋白构象发生改变,产生后续代谢活 动。三级结构预测发现PPAR a蛋白结构主要分为 2个明显不同的结构区域,通过无规则卷曲连接,而 该连接部分主要为55~i00位氨基酸,与活化部位 重叠,预测该部位与相应的结合、保护、活化功能紧 密相关。总体上由于蛋白的修饰使得蛋白功能更加 复杂,三级结构的进一步盘绕折叠使其结构更加稳 定,功能也更加完善。 研究表明,PPAR 基因在小鼠的心脏、肝脏、 肾脏、骨骼肌和脂肪组织中表达量较高口 ,在绵羊 的大小网膜组织等脂肪中有一定表达l_3引,同时在人 体内研究也较多,但是在山羊中的组织表达情况鲜 有报道[3 。本试验通过实时荧光定量PCR技术对 PPARa基因在山羊不同组织中表达情况进行检 测,发现PPAR 基因在山羊的6个组织中均有一 定的表达,但是不同组织之间的表达差异较大,可能 与不同组织中的脂肪氧化活跃度和脂质代谢有 关口 。研究发现,在肾脏中配体结合PPARa后能 够维持肾脏的脂质和葡萄糖稳态,具有肾脏保护作 用,同时抵抗血脂异常和胰岛素异常,有助于预防糖 尿病并发症等肾脏疾病的发生,特别是1型糖尿 病 。在动脉壁细胞中主要通过抗氧化应激及血 脂调节途径,让该受体与特殊的抗动脉粥样硬化和 抗炎作用紧密联系,产生潜在的心脏保护效应,同时 还发挥一定的抗氧化应激作用L7],同时模型试验表 明,PPARa基因在抗心脏肥大和其他心脏疾病上 如冠心病有相当重要的作用l_3 ∞]。PPARa基因主 要脂肪酸氧化和脂质代谢,最新研究发现,其在 肝脏中有具有特殊的抗炎作用,在非酒精型脂肪肝 预防、酮类代谢和胆汁分泌中均具有重要功能_4 ¨。 568 中 国畜牧兽医 45卷 组织中这些功能和结构的特异性都揭示了PPA.Ra 基因在肾脏、肝脏和心脏中表达相对明显的原因。 网膜属于内脏中的脂肪组织,基因表达相对中等,说 明该基因在该部位可能发挥一定功能,但具体 ings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1993,90(4):1440—1444. [4] SCH0ONJANS K,STAELS B,AUWERX J.The peroxisome proliferator activated receptors(PPARS) 机制尚待研究;而该基因在脾脏和肺脏中表达相对 较低,推测该部位脂肪氧化和脂质代谢可能不活跃。 由此预测,在山羊不同组织中PPAR ̄基因的差异 表达可能与其脂肪氧化、脂质代谢和抗氧化应激等 重要生理功能有关,但目前对山羊中这些组织的 and their effects on lipid metabolism and adipocyte differentiation E J].Biochimica et Biophysica Acta, 1996,1302(2):93-109. [5] WAYMAN N S,ELLIS B L,THIEMERMANN C.Ligands of the peroxisome proliferator-activated re— ceptor-PPAR—a reduce myocardial infarct size[J]. PPARa基因研究较少,具体功能和机制尚不 清楚。本试验主要为PPARa基因在山羊脂肪分 化、脂质代谢和抗氧化应激功能后续研究提供基础 资料,为进一步探讨其具体脂肪代谢和抗氧化应激 的机制提供参考。 4 结 论 山羊PPARa基因CDS区全长1 413 bp,编码 470个氨基酸,是一种结构较为稳定的带负电的亲 水性蛋白。蛋白二级结构中主要存在a一螺旋和无 规则卷曲,无信号肽和跨膜蛋白,属于膜内蛋白,蛋 白主要存在于细胞质中,主要在细胞内发挥功能。 蛋白序列有49个磷酸化位点,包括28个括丝 氨酸位点、15个苏氨酸位点及6个酪氨酸位点,存 在9个糖基化位点,结构域中含有明显的DBD区域 和LBD区域,各位点与发挥相应功能紧密相关。三 级结构主要分为2个明显不同的结构区域,通过无 规则卷曲连接,2个结构均以helix螺旋为主。与绵 羊和牛的同源性最高,蛋白结构高度保守。山羊 PPARa基因在6个内脏组织中的表达量存在显著 差异,在肾脏和肝脏中表达量较高,在心脏和网膜中 中度表达,而在肺脏和脾脏中表达量很低。 参考文献(References): [1]SCHMIDT A,ENDO N,RUTLEDGE S J,et a1.Iden tification of a new member of the steroidhormonere— ceptor superfamily that is activated by a peroxisome proliferator andfatty acidsl,J].Molecular Endocrinol— ogy(Baltimore,A ),1992,6(10):1634—1641. [2] ISSEMANN I。GREEN S.Activation of a member of the steroid hormone receptor superfamily by peroxi— some proliferators[J].Nature,1990,347(6294): 645—65O. 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