家猫ACE2基因克隆、测序及生物信息学分析
家猫ACE2基因克隆、测序及生物信息学分
析
第51卷第6期
2005年l2月
武汉大学(理学版)
J.WuhanUniv.(Na1.Sci.Ed.)
Vo1.51No.6
Dec.2005,739,743
文章编号:l671-8836(2005)060739—05
家猫ACE2基因克隆,测序及
生物信息学分析
王冲,谭亚娣,郭爱珍,陈焕春
(华中农业大学动物医学院,湖北武汉430070)
摘要:本研究从家猫组织中扩增并鉴定血管紧张素转换酶2(angiotensin—convertingenzyme2,ACE2)基因,
为阐明SARS相关冠状病毒(SARS-CoV)感染家猫的机制提供理沦依据.从家猫肺脏中提取总RNA,以OligodT-
Adaptor为引物合成第一链cDNA,根据人及小鼠的ACE2基因mRNA序列
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
系列引物,通过聚合酶链式反应,
分段扩增出家猫ACE2基因的编码区的特异性片段并测序鉴定.家猫ACE2基因mRNA编码区共包括2418个核
苷酸,推测编码蛋白含805个氨基酸残基.其氨基酸序列与人,小鼠,大鼠ACE2氨基酸序列的同源性分别达到
85,81和81.利用多种生物信息学具软件对家猫ACE2蛋白的理化及生物学性质进行分析.比较人,家猫,
果子狸,小鼠,大鼠等ACE2序列中与SARS-CoV结合有关的3个功能区,发现家猫ACE2与人ACE2的同源性最
高,提示家猫ACE2在SARS病毒跨种感染中可能发挥重要作用.
关键词:家猫;血管紧张素转换酶2;序列分析;生物信息学;严重急性呼吸系统综合
征冠状病毒
中图分类号:Q51文献标识码:A
血管紧张素转换酶2(angiotensin—converting enzyme2,ACE2)是一种金属蛋白酶,它广泛存在于 动物的心,肝,肺,肾及胃肠道等主要器官组织中,在 调节心,肾功能及控制血压中起关键作用L】'.对急 性严重呼吸系统综合征冠状病毒(severeacutere
spiratorysyndromeassociatedcoronavirus,SARS— CoV)的研究中发现,ACE2是SARSCoV的主要 功能性受体.除了人类以外,部分灵长动物,果 子狸,家猫,雪貂都是SARSCoV的易感动物], 除人及非洲绿猴肾细胞(VeroE6)的ACE2外,小 鼠,果子狸等动物细胞的ACE2也可作为SARS— CoV的细胞受体j.扩增并鉴定家猫的ACE2基 因能为阐明SARS—CoV感染家猫的分子机制及了 解SARSCoV的动物宿主提供理论依据.本文扩增 并鉴定了家猫ACE2基因mRNA编码区序列,其 编码的氨基酸序列与人,小鼠,大鼠ACE2蛋白的 氨基酸序列同源性分别达到85,81和81,运 用生物信息学手段对其编码蛋白的理化性质,功能 结构进行了分析和预测.通过对家猫ACE2蛋白的 分析预测,为进一步研究ACE2蛋白作为SARS— CoV功能性受体的机理,SARSCoV的起源及跨种 感染途径提供了依据.
1材料与方法
1.1实验材料
9月龄健康家猫3只,购自武汉市场,解剖后取
肺脏液氮急冻后80.C保存.Trizol试剂盒及
UNIQ一10柱式DNA胶回收试剂盒购白上海生工生
物技术服务有限公司.TaKaRaRNALAPCRKit (AMV)Ver.1.1及3FullRACECoreSet购自大
连宝生物工程有限公司.引物OligodT—Adaptor及
3sitesadaptor来自3FullRACECoreSet,其余引
物序列由上海生工技术服务有限公一J合成.
1.2cDNA第一链的合成
按Trizol试剂盒使用说明提取家猫肺脏总
RNA.以家猫肺脏总RNA为模板,使用TaKaRa3
FullRACECoreSet中的OligodTAdaptorPrimer 为引物进行反转录反应,合成第一链cDNA.反转录
反应条件为:50C40min,94.C3min. 收稿日期:2005—04—0l十通汛联系人Email:azglgy@yahoo.tom
基金项目:同家重点基础研究发展计划(973)SARS防制基础研究专项资助项目(2003CB514122)
作者简介:王冲(1980一),刃,硕士生,现从事动物病毒分子生物学研究.E—mail:chongwangmail@yahoo.COI]~.CI1
武汉大报(学版)第51卷
1.3家猫ACE2基因扩增
根据已知的人ACE2mRNA与小鼠的ACE2
mRNA序列中的保守序列没汁引物F1,R1(
1),以反转录反应产物为模板进行PCR反应.由此
扩增出来的片段命名为Seq1.根据Seql所洲得
的序列设计引物R2,F3,根据已知的人与小鼠的
ACE2mRNA序歹0没I'弓I物F2,R3.分Jj1用F2,R2 干?F3,R3两对引物以反转录反应产物为模板扩增
ltl片段Se(12和Seq3.根据Seq3所测得的序列设计
引物Fd,以F,I,3sitesadaptor为引物,从反转录反 应广物巾扩增出一个片段,命名为Seq4.,ACE2扩 增策略见冈1.所有PCR的反应条件均为:94?40 s,55C40s,72C1.5rain,共35个循环,最后72C 延伸10rain.每只实验动物进行一套扩增反应. 表1扩增家猫ACE2基因的引物序列
rjl物列
()ligodTAdaptor
F1
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F2
R2
F3
R3
F4
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也(II1,域及3sitesadaptor部分
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『l家猢A('E2J1『人『增策l,Jj崽『冬『 1.4家猫ACE2基因序列测定与分析
各段PCR产物以各自特异引物测序,洲序『_作
由大连宝生物工稗有限公司完成.将各片段序列拼
接并比较3只实验动物的序列得到完整的家猫
ACE2基因编码区序列,采JIjBlast进行序列比对分
析,利用Clustalx1.83进行序列的队列比较.
1.5蛋白序列结构及功能特征预测
利FfjProtIaratI1tool(http:,///tpasy.0rg/ ,0orfJf"r"?.htm1)对编码蛋白的化十叶质进
行预测,利用SignalP3.0(hItz):,///'UL?观?观,.(-6.(h".
dk/.serwi(es/SignalI)FM—HMMServerv.2.0
http,,IcDs.dtu.dk/services/TMHMM2. 0/)进行信号肽及跨膜螺旋预测,利用PredictPro
teln(http:/?Mc.})it).columbia.edu_predictpro tein/),NNPREDICT(htt://72.!ZL~7.L'.CLvlphU,一
M(.../.edu/nomi/nnpredi{,.htm1),SO1MA(h一
tp:711psaphil.ibc'P.fr,/cgihin/7lpsaaulomat.pl.!
pag'—npsasopma.htin[)进行蛋白质二级结十勾预
0.币【J』{jSMART(http:,//smart.mhlhPid6r. /),MotifScan(
motiJ(AT/)以及lnterProScan(httP:/ZUZUZU.ebi. .
uk/InterProS~洲)对家猫ACE2蛋白的结构
域,基序以及门质家族进行预测.
2结果
2.1家猫ACE2基因mRNA及其编码蛋白的序列
分析
将测序鉴定后的家猫A(7E2基因特异性片段
进行拼接获得mRNA编码区序列.与人,小鼠,大鼠
一
样.家猫A(7E2编码区全长2418bp(GenBank accession:AY957464),编码805个氨基酸残基.利 川ClustalX1.83软件分别对4种动物的ACE2的 核苷酸及氨基酸j孚列进行队列比射分析,发现家猫 (7E2与人,小鼠及大鼠A(7E2基因mRNA编码区 列的核廿酸同源r分别为869/i,84和84,所
编码蛋白质氦基酸同源忖分别为859/6,81和81 (2).
一
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_戈J2家,人,小鼠,大鼠ACE2赁门的氮基酸序列比刈 2.2家猫ACE2蛋白结构及理化性质分析 利用ProtParamtool程序对家猫ACE2基【编 码蛋白质理化性质进行分析,结果显示其分子结构 式为HN()S.,.,论pI值为.64,分
子量为9.2708×10,脂肪系数为76.d3,不稳定系 数为42.67,属丁不稳定蛋白质.利用Signall3.0 对家猫ACE2摹因编码蛋白进行了信号肽分忻,存 #0O
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17aa~18aa/19aa,20aa处存在潜在的裂解位点,结 合其他预测工具的预测结果以及人ACE2蛋白的 信uJ肽定化,确定家猫ACE2蛋白信肽序列应该 定何丁laa,18aa.二级结构预测的结果表明家猫 ACE2蛋白螺旋结构占47.2O,折叠结构占 15.O3,转角结构占7.4,无规则卷曲占
30.31.以TMHMMServerv.2.0对家猫ACE2 Cn密电
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武汉大学(理学版)第5l卷
蛋白的跨膜螺旋进行预测,预测发现在740aa, 762aa处有一个跨膜螺旋,属于I型跨膜蛋白. 2.3家猫ACE2蛋白的功能预测
利用SMART,MotifScan,InterPro—Scan对家 猫ACE2基因编码蛋白进行结构域,基序,蛋白质 家族分析.结果显示家猫ACE2基因编码蛋白属于 Peptidase—
M2蛋白质家族.在37laa,380aa处
(TAHHEMGHIQ)发现一个典型EGSTAIIvN] {PCHR}{KND}一H—E—lLIVMFYW~一{DE HRKP}一H—x一[IIVMFYWGSPQ]结构,即锌金 属蛋白酶锌结合区标签位点.
人ACE2蛋白的al脊区,loopand口3区和 3讨论
alridge
人30DKFNHEAEDLFY41 30EKfNHEAEELsY4I
了30ETFNYEA0ELsY41 小鼠30NNFNQEAEDLSY41 人默30NKFN0EAEDLSY41 '———————,..一.———.....——————+ loopand5区被认为是SARSCoV的受体功能决
比较人,猫,果子狸,小鼠,大鼠ACE2蛋白 定区.
上述3个的氨基酸片段同源性,发现猫ACE2与人 ACE2具有更高的同源性.猫ACE2al脊区(30aa~ 41aa)仅有两个氨基酸与人ACE2不同,而这两个氨 基酸与果子狸相同,与人ACE2相比果子狸此外还 具有3个氨基酸差异.Loop与a3区(82aa~93aa)
氨基酸变异最大,但和其他动物的ACE2序列比, 猫与人的序列同源性最高.至于loop与5区 (353aa357aa)序列,猫ACE2与人ACE2完全相 同,而果子狸,小鼠,及大鼠均与人ACE2有差异 (图3).
Loopand?
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82TYPLAEIHNTTV93
82TYPLQEIQDAKI93
82SFSLQEIQTPII93
82NFSLQEIQNATI93
Loopand85
353KGDFR357
353KGDFR357
353KDDFR357
353HGDFR357
353HGDFR357
一
吧一
图3不同动物ACE2的SARS-CoV受休功能决定区的氨基酸序列同源性比较
ACE2是2000年新鉴定的一种蛋白质,目前 GenBank巾仅有人ACE2及大猩猩,小鼠,大鼠等 动物AE2基凶的详细序列,本文有关猫ACE2基 因的研究迄今未见文献报道.
本研究扩增鉴定了猫ACE2基因编码区核苷 酸序列,其编码区核苷酸度及其所编码的蛋白质 序列的长度与人,小鼠,大鼠的ACE2长度完全一 致,几个物种ACE2蛋白的氨基酸相似程度达81 以上.蛋白质家族分析表明扩增得到的基凶编码 M2蛋白酶家族的蛋白质,而该家族包括血管紧张 素转换酶1及血管紧张素转换酶2等成员.同时在 ACE2蛋白质序列中发现了典型的锌金属蛋白酶的 锌结合位点,其位置及结构与人及小鼠ACE2一 致【【.蛋白理化性质预测分析结果与人ACE2亦基 本相同.综合以上结果,可以证明本研究扩增得到的 基因是家猫的ACE2基因.
猫在冠状病毒感染中具有一种近乎神秘的地 位.业已证明,I群冠状病毒中的人冠状病毒
HCV229E,猪传染性胃肠炎病毒,猫传染性腹膜炎 病毒以及?群冠状病毒中的鸡传染性支气管炎病毒 都可以利用家猫氨基肽酶N(aminopeptidaseN,
APN)作为细胞受体入侵靶细胞n..由此可以推 测家猫可能在冠状病毒跨种感染及发展衍生过程中 起到重要的作用.SARSCoV属于新定义的?群冠 状病毒,目前已经确定的两种受体分别为ACE2和 CD209I.SARS—CoV能感染家猫,病毒能在家猫体 内正常增殖,感染后的家猫还能够有规律排毒],而 在部分SARS患者家中饲养的宠物猫体内也检测 出了SARSCoV[1.除了大鼠ACE2几乎没有 SARS—CoV受体功能外,小鼠及果子狸的ACE2都 能作为SARS—CoV的细胞受体,但受体功能较人 ACE2弱,动物细胞的这种低功能受体可能与 SARS—CoV在动物中的持续感染及动物作为
并且是由ACE2受体 SARS—CoV的自然宿主有关,
分子的结构差异决定的.已证明将人ACE2的受体 功能区置换为果子狸的功能区序列,可使人ACE2 的受体功能降低].比较分析人及家猫,果子狸,小 鼠,大鼠等不同动物ACE2三个sARsCoV受体功 能区的同源性,发现家猫与人ACE2的同源性较其 他动物均高,推测猫ACE2可能较现有已知动物的 ACE2更能有效介导SARS—CoV的感染,进一步研 究猫ACE2的受体功能对阐明SARS—CoV跨种感 染机制具有重要意义.目前在SARS研究中使用的实 验动物主要有非洲绿猴,果子狸和小鼠,家猫ACE2 受体功能区与人ACE2的高度同源性提示,家猫也有 可能成为SARS研究中一种新的实验动物.由于家猫 已成为人类亲密的伴侣动物,不大可能是SARS-CoV
第6期王冲等:家猫ACE2基因克隆,测序及生物信息学分析743
的自然宿主,但家猫是否在SARS-CoV跨种感染与传
播中起中转作用有待进一步证实.
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(CollegeofVeterinary
andBioinformaticAnalysis
Chong.TANYa—di,GUOAi—zhen,CHENHuan—chun
Medicine,HuazhongAgriculturalUniversity.Wuhan430070,Hubei,China)
Abstract:Angiotensin—
convertingenzyme2(ACE2)hasbeendeterminedasthemostefficientreceptor
ofSARSCoV.DomesticcatsareoneofthesusceptiblehostsforSARS—
CoV.Itis1ikelyforSARS—CoVto
infectcatsbyusingthecellularACE2asthecommonreceptor.Thereforethisstudyistargetedtoidentify
thecatACE2.ThedomesticcatsweresacrifiedandthelungwasusedtoextractthetotalRNA.ThecD
NAwassvnthesizedbyreversetranscription.FouroverlappedmRNAfragmentswereamplifiedbyusing
thecDNAasthetemplatesandspiced.ThedomesticcatsACE2mRNAcodingregionconsistsof2418nu
cleotidesencodingputativeproteinof805aminoacids.AlignmentanalysisdemonstratedthatcatACE2has
asimilaritvof85,81and81attheaminoacidlevelwithhuman,mouseandratACE2respectively.
Aseriesofbioinformaticsanalyseswereperformedtopredictthestructureandfunctionofthisprotein.
TheresuhsconfirmedthatthesequenceisthecodingsequenceofdomesticcatACE2.Furthermore,thecat
ACE2sequencesinthreeACE2domainsofSARSCoVassociationhavethehighestsimilaritywithhuman
ACE2suggestingcatsmayplayanimportantroleinSARSCoVinterspeciesinfection. Keywords:domesticcats;angiotensinconvertingenzyme2;sequenceanalysis;biointormatics;severe
acuterespiratorysyndromeassociatedcoronavirus(SARS-CoV)