绵羊RPS20基因的生物信息学分析

作者：陈倩玲 何亚鹏 张引弟 赵航 王雪怡 张小雪 来源：《甘肃农业科技》2022年第08期

摘要：核糖体蛋白20基因（ribosomal proteinS20，RPS20）是一类参与蛋白质生物合成及对细胞增殖、分裂、分化、凋亡具有调控作用的基因，广泛存在于多种动物体内。为探究RPS20基因在绵羊体内的功能，运用生物信息学数据库及其软件分析了该基因及其编码的产物。结果发现，绵羊RPS20基因总共编码了119个氨基酸残基，所编码的蛋白质分子式为C587H995N173O171S5，分子质量为13.372 71 KDa，等电点pI为9.95。通过基本理化性质的分析可知，绵羊RPS20蛋白是稳定性强、具亲水性的非分泌蛋白，不含信号肽序列且无跨膜结构。亚细胞定位结果表明，其编码产物主要存在于细胞质中（65.2%）。绵羊与牛、马、黑猩猩、野生双峰驼等哺乳动物的RPS20蛋白相似度均为100%。该蛋白的二级结构和三级结构主要以无规卷曲、α螺旋和β折叠组成。 关键词：绵羊;RPS20基因;生物信息学;分析

中图分类号：S826 文献标志码：A 文章编号：1001-1463（2022）08-0039-05 doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.08.010 Bioinformatic Analysis of Ovine RPS20 Gene

CHEN Qianling， HE Yapeng， ZHANG Yindi， ZHAO Hang， WANG Xueyi， ZHANG Xiaoxue

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

Abstract： Ribosomal protein S20（RPS20） gene is a class of genes involved in protein biosynthesis and regulating cell proliferation， division， differentiation and apoptosis， which is widely present in a variety of animals. In order to explore the function of RPS20 gene in sheep， bioinformatic analysis of RPS20 gene and its encoded products was conducted by using bioinformatic databases and software. The results showed that RPS20 gene encoded 119 amino acid residues， the protein molecular formula was C587H995N173O171S5， the molecular weight was 13.37 271 KDa， isoelectric point pI was 9.95. The RPS20 protein was a stable， hydrophilic， non-secretory protein and that contained no signal peptide sequence and no transmembrane structure. Subcellular localization mainly existed in the cytoplasm （65.2%）. The similarity of RPS20 proteins among sheep and mammals such as cattle，horses， chimpanzees， and wild bactrian camels was 100%. Its secondary and tertiary structure were mainly composed of random curl， α helix and β fold. Key words： Sheep; RPS20 gene; Bioinformatics; Analysis

核糖體是催化蛋白质合成的细胞器，由1个小的40S亚基和1个大的60S亚基组成。这些亚基由4种RNA和大约80种结构不同的蛋白质组成，核糖体蛋白（ribosomal protein，RP） 即所有核糖体蛋白质组成部分的统称。RPS20基因是一类参与蛋白质生物合成及对细胞增殖、分裂、分化、凋亡具有调控作用的基因[1 ]，RPS20基因编码的核糖体蛋白是40S亚基的组成部分， 该蛋白属于核糖体蛋白的S10P家族，它位于细胞质中。RPS20基因作为核糖体蛋白编码基因的典型，有多个加工过的假基因分散在基因组中[2 ]。有研究表明，RPS20基因RNA干扰序列成功构建包装干扰慢病毒转染后能有效抑制小鼠结肠腺癌细胞（CT26）的生长[3 - 4 ]。RPS20基因在猪繁殖与呼吸综合征病毒复制中有一定作用[5 ]。此外，在筛选与猪脑心肌炎病毒（EMCV）VP1蛋白相互作用的宿主蛋白时发现，VP1和RPS20蛋白之间存在特异性相互作用[6 ]。对大鼠RPS20基因的体外功能研究结果初步表明，核糖体蛋白基因在脾虚证发生发展过程中可能具有重要作用[7 ]，对慢性浅表性胃炎脾气虚证等患者进行基因表达谱的分析结果表明，脾气虚证具有蛋白质合成相关基因下调的趋势，其中以核糖体蛋白基因下调比较显著，选择重复性表达下调的RPS20对其进行生物功能鉴定，RPS20基因RNA干扰后使得大鼠小肠上皮细胞（IEC-6）的形态结构变化，细胞的增殖、分化能力，DNA修复功能受到抑制，证明RPS20基因对大鼠小肠上皮细胞的消化吸收和粘膜损伤修复功能起重要作用[7 - 11 ]，与脾气虚证患者消化吸收功能下降、黏膜损伤修复能力下降等表现相符合。有关RPS20基因及其编码产物的研究主要是在人类和小鼠上，而在绵羊上的研究比较少。我们通过检索NCBI数据库中绵羊的RPS20基因序列，利用生物信息学的方法研究了绵羊RPS20基因及其编码产物的序列、基本理化性质、蛋白质结构和生物学功能等，以期为进一步探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

序列均来源于NCBI网站GenBank数据库，包括绵羊（XM_004011685.4，XP_004011734.1）、人（NM_001023.4，NP_001014.1）、兔子（NM_00125 3734.1，NP_001240663.1）、鸡（XM_040664730.2，XP_040520664.1）、牛（NM_001034438.1，NP_0010 29610.1）、猪（NM_001129954.1，NP_001123426.1）、马（XM_005613124.3，XP_005613181.1）、鹌鹑（XM_015855656.1，XP_015711142.1）、黑猩猩

（XM_016959501.1，XP_016814990.1）、狮子（XM_ 042924174.1，XP_042780108.1）、野生双峰驼（XM_032470290.1，XP_032326181.1）11个物种的mRNA序列和氨基酸序列，括号内为GenBank的登录号。 1.2 方法

绵羊RPS20基因开放阅读框（Open reading frame，ORF）分析采用NCBI的ORF Finder程序，基本理化性质分析采用Bioedit分析软件。绵羊RPS20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SignalP 3.0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。蛋白二级结构预测采用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RPS20基因开放阅读框分析

开放阅读框（Open Reading Frame，ORF）是mRNA上的一段碱基序列，起始于起始密码子，结束于终止密码子，1个ORF对应1个蛋白质[12 ]，通过ORF分析可以证明新的DNA序列是否能够为特定的蛋白质编码基因。根据图1可知，该序列最大的开放阅读框长度为360 bp（起始密码子位于121 bp处，终止密码子位于480 bp处），编码了119个氨基酸残基。 2.2 绵羊RPS20蛋白理化性质分析

蛋白质的基本性质包括相对分子质量、等电点pI、氨基酸组成、基因编码产物的不稳定指数和半衰期等[13 ]。利用Prot Param在线工具和Bioedit软件对绵羊RPS20基因编码产物的理化性质进行分析，表明其编码产物的分子式为C587H995N173O171S5，共含有1 931个原子。该编码产物有119个氨基酸残基数，分子质量为13.372 71 KDa，理论等电点pI为9.95，可知绵羊RPS20蛋白呈碱性。由图2可以看出绵羊RPS20基因编码的蛋白氨基酸组成。绵羊RPS20基因编码的蛋白中所含氨基酸种类丰富，其中含量最多的是Lys（赖氨酸），所占比例为10.92%;Ile（异亮氨酸）、Thr（苏氨酸）含量较高，均为10.08%。 绵羊RPS20基因编码产物中不含Tyr（酪氨酸），负电荷残基总数（Asp+Glu）为14，正电荷残基总数（Arg+ Lys）

为23。所编码产物在哺乳动物体外的半衰期为30 h、不稳定指数为32.28。根据不稳定指数指标（> 40为不稳定;< 40为稳定），由于32.28 < 40.00可以确定该蛋白属于稳定蛋白。 2.3 绵羊RPS20蛋白亚细胞定位

从绵羊RPS20基因蛋白亚细胞定位结果可知，绵羊RPS20蛋白分布在细胞质的可能性最大，为65.2%;分布在线粒体的可能性次之，为17.4%;分布在细胞核的可能性居第3位，为13.0%;分布在过氧化物酶体的可能性最小，仅为4.3%。由此可以推断，绵羊RPS20基因编码的产物主要是在细胞质中发挥生物学作用。 2.4 不同物种RPS20蛋白的同源性分析

采用DNAMAN软件将绵羊RPS20蛋白序列与其他一些已发表的动物如人、绵羊、兔子、鸡、牛、鹌鹑、黑猩猩、狮子、马、猪和野生双峰驼11种动物的氨基酸序列进行多序列比对的结果（图3、图4）表明，RPS20氨基酸序列同源性均为100%。由于RPS20基因的氨基酸序列较短，绵羊与人、牛、黑猩猩、野生双峰驼等哺乳动物的相似性较高。 2.5 绵羊RPS20蛋白潜在信号肽剪切位点预测

信号肽序列本质上是蛋白质序列中起始于N端的1段特定氨基酸序列，在引导和转运跨膜蛋白和分泌蛋白方面发挥着重要作用。核糖体是蛋白质合成的场所，信号肽在此合成过程中发挥重要作用[14 - 18 ]。从对绵羊RPS20蛋白潜在信号肽剪切位点的预测可知，此基因编码的产物是否在引导和转运跨膜蛋白和分泌蛋白方面发挥一定作用。從图5可以看出，绵羊RPS20基因编码产物的C值为0.084、Y值为0.064、S值为0.128。由此可知，RPS20基因的编码产物无跨膜区，也不存在信号肽序列，即该蛋白不是分泌性蛋白，也不是跨膜蛋白，主要位于细胞质内。

2.6 绵羊RPS20蛋白跨膜螺旋结构预测

采用TMHMM在线软件对于绵羊RPS20蛋白跨膜螺旋结构进行分析预测，结果表明绵羊RPS20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RPS20蛋白保守结构域分析

结构域是蛋白质中具有独立三级结构的部分，具有特定功能，因此也是蛋白质功能单元。保守结构域具有重要的功能，不能被改变，是基因的核心。由绵羊RPS20蛋白潜在信号肽剪切位点预测可知，绵羊RPS20基因编码的蛋白是非跨膜蛋白。进而通过Smart软件分析，如图7所示，绵羊RPS20蛋白家族包括原核生物中的小核糖体亚基S10和真核生物中的小核糖体亚基S20，由于序列较短，没有跨膜结构，也没有复杂的跨膜区域。

1 材料与方法 1.1 序列来源

序列均来源于NCBI网站GenBank数据库，包括绵羊（XM_004011685.4，XP_004011734.1）、人（NM_001023.4，NP_001014.1）、兔子（NM_00125 3734.1，NP_001240663.1）、鸡（XM_040664730.2，XP_040520664.1）、牛（NM_001034438.1，NP_0010 29610.1）、猪（NM_001129954.1，NP_001123426.1）、马（XM_005613124.3，XP_005613181.1）、鹌鹑（XM_015855656.1，XP_015711142.1）、黑猩猩

（XM_016959501.1，XP_016814990.1）、狮子（XM_ 042924174.1，XP_042780108.1）、野生双峰驼（XM_032470290.1，XP_032326181.1）11个物种的mRNA序列和氨基酸序列，括号内为GenBank的登录号。 1.2 方法

绵羊RPS20基因开放阅读框（Open reading frame，ORF）分析采用NCBI的ORF Finder程序，基本理化性质分析采用Bioedit分析软件。绵羊RPS20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SignalP 3.0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。蛋白二级结构预测采用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RPS20基因开放阅读框分析

开放阅读框（Open Reading Frame，ORF）是mRNA上的一段碱基序列，起始于起始密码子，结束于终止密码子，1个ORF对应1个蛋白质[12 ]，通过ORF分析可以证明新的DNA序列是否能够为特定的蛋白质编码基因。根据图1可知，该序列最大的开放阅读框长度为360 bp（起始密码子位于121 bp处，终止密码子位于480 bp处），编码了119个氨基酸残基。 2.2 绵羊RPS20蛋白理化性质分析

蛋白质的基本性质包括相对分子质量、等电点pI、氨基酸组成、基因编码产物的不稳定指数和半衰期等[13 ]。利用Prot Param在线工具和Bioedit软件对绵羊RPS20基因编码产物的理化性质进行分析，表明其编码产物的分子式为C587H995N173O171S5，共含有1 931个原子。该编码产物有119个氨基酸残基数，分子质量为13.372 71 KDa，理论等电点pI为9.95，可知绵羊RPS20蛋白呈碱性。由图2可以看出绵羊RPS20基因编码的蛋白氨基酸组成。绵羊RPS20基因编码的蛋白中所含氨基酸种类丰富，其中含量最多的是Lys（赖氨酸），所占比例

为10.92%;Ile（异亮氨酸）、Thr（苏氨酸）含量较高，均为10.08%。 绵羊RPS20基因编码产物中不含Tyr（酪氨酸），负电荷残基总数（Asp+Glu）为14，正电荷残基总数（Arg+ Lys）为23。所编码产物在哺乳动物体外的半衰期为30 h、不稳定指数为32.28。根据不稳定指数指标（> 40为不稳定;< 40为稳定），由于32.28 < 40.00可以确定该蛋白属于稳定蛋白。 2.3 绵羊RPS20蛋白亚细胞定位

从绵羊RPS20基因蛋白亚细胞定位结果可知，绵羊RPS20蛋白分布在细胞质的可能性最大，为65.2%;分布在线粒体的可能性次之，为17.4%;分布在细胞核的可能性居第3位，为13.0%;分布在过氧化物酶体的可能性最小，仅为4.3%。由此可以推断，绵羊RPS20基因编码的产物主要是在细胞质中发挥生物学作用。 2.4 不同物种RPS20蛋白的同源性分析

采用DNAMAN软件将绵羊RPS20蛋白序列与其他一些已发表的动物如人、绵羊、兔子、鸡、牛、鹌鹑、黑猩猩、狮子、马、猪和野生双峰驼11种动物的氨基酸序列进行多序列比對的结果（图3、图4）表明，RPS20氨基酸序列同源性均为100%。由于RPS20基因的氨基酸序列较短，绵羊与人、牛、黑猩猩、野生双峰驼等哺乳动物的相似性较高。 2.5 绵羊RPS20蛋白潜在信号肽剪切位点预测

信号肽序列本质上是蛋白质序列中起始于N端的1段特定氨基酸序列，在引导和转运跨膜蛋白和分泌蛋白方面发挥着重要作用。核糖体是蛋白质合成的场所，信号肽在此合成过程中发挥重要作用[14 - 18 ]。从对绵羊RPS20蛋白潜在信号肽剪切位点的预测可知，此基因编码的产物是否在引导和转运跨膜蛋白和分泌蛋白方面发挥一定作用。从图5可以看出，绵羊RPS20基因编码产物的C值为0.084、Y值为0.064、S值为0.128。由此可知，RPS20基因的编码产物无跨膜区，也不存在信号肽序列，即该蛋白不是分泌性蛋白，也不是跨膜蛋白，主要位于细胞质内。

2.6 绵羊RPS20蛋白跨膜螺旋结构预测

采用TMHMM在线软件对于绵羊RPS20蛋白跨膜螺旋结构进行分析预测，结果表明绵羊RPS20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RPS20蛋白保守结构域分析

结构域是蛋白质中具有独立三级结构的部分，具有特定功能，因此也是蛋白质功能单元。保守结构域具有重要的功能，不能被改变，是基因的核心。由绵羊RPS20蛋白潜在信号肽剪切位点预测可知，绵羊RPS20基因编码的蛋白是非跨膜蛋白。进而通过Smart软件分析，如图

7所示，绵羊RPS20蛋白家族包括原核生物中的小核糖体亚基S10和真核生物中的小核糖体亚基S20，由于序列较短，没有跨膜结构，也没有复杂的跨膜区域。