摘要：NADH脫氫酶亞基1（ND1）是線粒體膜呼吸鏈NADH脫氫酶（復(fù)合物Ⅰ）的核心亞基，其作用是將電子從NADH轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，為研究小飛鼠（Pteromys volans）ND1基因的功能，利用生物信息學(xué)方法對(duì)ND1的理化性質(zhì)、親水/疏水性、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)、跨膜結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)修飾位點(diǎn)及同源性等進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，ND1基因共編碼318個(gè)氨基酸，是穩(wěn)定親水蛋白，蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要為α-螺旋和無規(guī)則卷曲，其次為延伸鏈;與其他18種動(dòng)物的ND1氨基酸序列進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)小飛鼠與黑白飛鼠（Hylopetes alboniger）親緣關(guān)系較近。

關(guān)鍵詞：小飛鼠（Pteromys volans）;NADH脫氫酶亞基1;呼吸鏈;生物信息學(xué)

中圖分類號(hào)：Q75 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2022）03-0161-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2022.03.033 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Bioinformatics analysis of NADH dehydrogenase subunit 1 （ND1） gene in Pteromys volans

LIAN Ming-dong， CHEN Hong， YANG Meng-ping， TIAN Xin-min

（College of Life Science and Technology， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang "157011，Heilongjiang，China）

Abstract： NADH dehydrogenase subunit 1 is the core subunit of the mitochondrial membrane respiratory chain NADH dehydrogenase （Complex I） that functions in the transfer of electrons from NADH to the respiratory chain. To obtain the information of ND1 gene in Pteromys volans， bioinformatics methods were used in this article to analyze ND1 in there areas： physicochemical properties of ND1， hydrophilic/hydrophobic properties， secondary structure， tertiary structure， transmembrane structure， protein modification sites and homology of ND1 in Pteromys volans. The results in this research indicated that 318 amino acids were found in ND1 gene， which was a stable hydrophilic protein. The main secondary structure of ND1 protein was α-helix， random coil and extended strand. The siberian flying squirrel （Pteromys volans） and the particolored flying squirrel （Hylopetes alboniger） were found to be more closely related by compaired the ND1 gene in the siberian flying squirrel with 18 other animal species.

Key words： Pteromys volans;NADH dehydrogenase subunit 1;respiratory chain;bioinformatics

小飛鼠（Pteromys volans）隸屬于松鼠科飛鼠屬，是一種夜行樹棲嚙齒動(dòng)物[1]。其外形與松鼠相似，但體側(cè)長(zhǎng)有翼膜可以在樹木之間滑翔[2]。主要分布于中國(guó)東北、華北和西北林區(qū)，因?qū)ι车囊筝^高，所以常作為傘護(hù)種而備受關(guān)注，現(xiàn)在已被列入中國(guó)脊椎動(dòng)物紅色名錄——易危（VU）和世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄——無危（LC）[3-5]。

細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，線粒體是需氧細(xì)胞產(chǎn)生ATP的主要部位，細(xì)胞內(nèi)的糖、脂肪、氨基酸等通過各自的分解途徑，最終在線粒體氧化釋放能量[6]。電子傳遞過程中釋放出大量的自由能使ADP磷酸化生成ATP，NADH脫氫酶（NADH dehydrogenase）就是電子傳遞鏈上的重要組成部分，簡(jiǎn)稱為復(fù)合體Ⅰ（Complex Ⅰ）[7]。該酶先與NADH結(jié)合并將NADH上的兩個(gè)高勢(shì)能電子轉(zhuǎn)移到FMN（Flavin mononucleotide）輔基上，使NADH氧化成NAD+，并使FMN還原成FMNH2，是電子傳遞的第一步，而ND1是NADH脫氫酶7個(gè)亞基中的一個(gè)[8，9]。以此為研究對(duì)象，利用生物信息學(xué)的方法分析其理化性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)修飾位點(diǎn)以及同源性等，從而為研究小飛鼠ND1的功能提供參考，并希望加強(qiáng)對(duì)小飛鼠的保護(hù)意識(shí)。

1 材料與方法

1.1 基因序列的獲取

在美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）DNA序列數(shù)據(jù)庫中查找獲得小飛鼠NADH脫氫酶亞基1（ND1）基因的全長(zhǎng)及編碼序列（CDS）（GeneID：14049268）。用BLAST搜索軟件進(jìn)行同源性基因檢索，篩選出與小飛鼠同屬嚙齒目下的物種序列，以及非嚙齒目物種作為對(duì)照參考。最終下載以下幾種動(dòng)物的ND1基因序列：白麗松鼠（Callosciurus albescens，KY410906.1）、橙腹長(zhǎng)吻松鼠（Dremomys lokriah，KY410877.1）、珀氏長(zhǎng)吻松鼠（Dremomys pernyi，KY410881.1）、黑白飛鼠（Hylopetes alboniger，KX710106.1）、水羚（Kobus ellipsiprymnus，JN632651.1）、喬氏貓（Leopardus geoffroyi，KP202292.1）、南象海豹（Mirounga leonina，AY377353.1）、小家鼠（Mus musculus，KF937876.1）、葛氏鼠兔（Ochotona sp.，MN547460.1）、紅白鼯鼠（Petaurista alborufus，JQ743657.1）、東美灰松鼠（Sciurus carolinensis，LR822069.1）、西美灰松鼠（Sciurus griseus，NC_050034.1）、北亞馬遜紅松鼠（Sciurus igniventris，NC_050027.1）、日本松鼠（Sciurus lis，NC_050033.1）、狐松鼠（Sciurus niger，KY411003.1）、馬尾松鼠（Sundasciurus hippurus，KY410949.1）、尤因塔花栗鼠（Tamias umbrinus，KY070193.1）、倭花鼠（Tamiops maritimus，KY410970.1）。

1.2 分析方法

小飛鼠ND1基因編碼蛋白的生物信息學(xué)分析軟件及網(wǎng)站如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 小飛鼠ND1的理化性質(zhì)

利用Protparam程序預(yù)測(cè)分析小飛鼠ND1基因編碼蛋白質(zhì)的理化特性，結(jié)果表明，ND1基因編碼318個(gè)氨基酸，分子式為C1685H2632N380O423S20，分子質(zhì)量為35622.92 Da，總原子數(shù)為5 140。理論等電點(diǎn)為8.52，為堿性蛋白質(zhì)，負(fù)電荷殘基總數(shù)（Asp+Glu）為13，正電荷殘基總數(shù)（Arg+Lys）為15，不穩(wěn)定指數(shù)（instability index，Ⅱ）為39.86，將該蛋白質(zhì)歸類為穩(wěn)定蛋白。該蛋白中亮氨酸（Leu）含量最高占比18.2%，其次為丙氨酸（Ala）和蘇氨酸（Thr）均占9.1%（圖1），脂肪系數(shù)為124.62。

根據(jù)Protscale預(yù)測(cè)分析小飛鼠ND1蛋白的親水/疏水性得出，該蛋白最大值為3.278，最小值為 " "-2.022，為親水蛋白（圖2）。

2.2 編碼蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分析

利用Prabi預(yù)測(cè)分析小飛鼠ND1基因編碼蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該蛋白中38.68%可能形成α-螺旋（Hh）、23.90%可能形成延伸鏈（Ee）、37.42%可能形成無規(guī)則卷曲（Cc）（圖3）。

用SWISS-MODEL預(yù)測(cè)小飛鼠ND1蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)（圖4），主要構(gòu)件為α-螺旋和無規(guī)則卷曲。

2.3 編碼蛋白質(zhì)的N-糖基化位點(diǎn)預(yù)測(cè)分析

利用NetNGlyc 1.0 Server預(yù)測(cè)小飛鼠ND1蛋白的N-糖基化位點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該蛋白中有1個(gè)潛在的N-糖基化位點(diǎn)，為157NGSF，其位置如圖5所示。

2.4 編碼蛋白質(zhì)的信號(hào)肽跨膜區(qū)預(yù)測(cè)分析

利用SignalP-5.0預(yù)測(cè)分析小飛鼠ND1蛋白的信號(hào)肽，結(jié)果如圖6所示，有信號(hào)肽的可能性為0.335，其切割位點(diǎn)位于第18個(gè)、第19個(gè)氨基酸之間。

2.5 跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)分析

利用TMHMM軟件預(yù)測(cè)小飛鼠ND1蛋白跨膜區(qū)域結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖7所示，該基因編碼產(chǎn)物存在8個(gè)很典型的跨膜螺旋結(jié)構(gòu)。

2.6 磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)分析

利用NetPhos3.1 Server軟件預(yù)測(cè)分析小飛鼠ND1基因編碼產(chǎn)物的磷酸化位點(diǎn)，結(jié)果如圖8所示，該基因的編碼產(chǎn)物存在27個(gè)磷酸化位點(diǎn)，其中包括絲氨酸（S）11個(gè)、蘇氨酸（T）12個(gè)以及酪氨酸（Y） " " 4個(gè)，酪氨酸主要分布在第30、127、215、228氨基酸處。

2.7 氨基酸序列的同源性

在NCBI數(shù)據(jù)庫中分別下載18種動(dòng)物的ND1序列，與小飛鼠ND1氨基酸序列進(jìn)行同源性分析，結(jié)果如圖9所示，小飛鼠與黑白飛鼠親緣關(guān)系較近，其次為紅白鼯鼠，表明小飛鼠符合鼯鼠族的分類地位。

3 小結(jié)與討論

本研究選用的ND1基因來自嚙齒類的小飛鼠，該物種的ND1基因共編碼318個(gè)氨基酸，亮氨酸含量最多，屬于穩(wěn)定的親水蛋白。與四川黑熊（Ursus thibetanus mupinensis）的ND1基因編碼蛋白的317個(gè)氨基酸相比較，熊的ND1蛋白等電點(diǎn)為7.83，同屬于堿性氨基酸[10]。ND1是NADHdh超基因家族的成員，是一種較為保守的基因，由其表達(dá)的蛋白在結(jié)構(gòu)和功能上也比較穩(wěn)定，二級(jí)結(jié)構(gòu)以α-螺旋和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)為主。本研究發(fā)現(xiàn)小飛鼠ND1蛋白有1個(gè)潛在的N-糖基化位點(diǎn)和27個(gè)磷酸化位點(diǎn)，含有信號(hào)肽以及8個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)。在同源性分析中選取18種其他物種的ND1序列與小飛鼠比對(duì)，經(jīng)MEGA7分析，小飛鼠ND1與黑白飛鼠親緣關(guān)系較近，而與非松鼠亞科的物種親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。以上結(jié)果為進(jìn)一步研究小飛鼠ND1基因功能提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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