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猪Ⅱ型圆环病毒江苏株全基因进化及ORF3蛋白的生物信息学分析

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山西农业科学2012,40(8):881—885 Journal ofShazaxi Agricultural Sciences doi:10.3969 ̄.issn.1002-2481.2012.08.21 猪Il型圆环病毒江苏株全基因进化及ORF3 蛋白的生物信息学分析 高 歌,孙 荡,茅 翔 (南京农业大学动物医学院,江苏南京210095) 摘要:对NCBI已经登记的国内分离的PCV2江苏株(GQ358994.1)进行序列比对及进化分析,并对其 ORF3编码蛋白的氨基酸序列进行生物信息学方法分析,对其组分、理化性质、跨膜结构域、二级结构、糖基 化位点、磷酸化位点和B细胞抗原表位进行预测和推断。结果表明,PCV2江苏株与国内分离株序列同源性 极高(>99%),ORF3蛋白无跨膜区域,二级结构中自由卷曲含量最高,为54.81%,不含有糖基化位点,但有 8个磷酸化位点。综合分析得出,ORF3蛋白具有大量的抗原决定簇。通过对ORF3蛋白进行生物信息学方法 分析,为PRRSV疫苗设计提供理论基础。 关键词:PCV2;进化分析;ORF3蛋白;生物信息学 中图分类号:¥858.285.3 文献标识码:A 文章编号:1002—2481(2012)08—0881—05 Bioinformatics Analysis of Whole Gene Evolution and ORF3 Coding Protein of Porcine Circovirus Type 2 Jiangsu Strain GAO Ge,SUN Dang,MAO Xiang (College of Veterinary Medicine,Nanjing Agricultural University,Naming 210095,China) Abstract:By bioinformatics methods and tools,the sequence of whole genes of PCV2 Jianssu strain(GQ358994.1)isolated in China registered by NCBI has been analyzed while the composition of amino acid ̄quences,molecular structure,physical and chemical characters,transmembrane helices,secondary structure,glycosylation site,phosphorylation site and antigen index of ORF3 coding protein were analyzed and predicted.The result shows that the sequences between Jiangsu strain and the other strains is fairly similar(>99%).ORF3 coding protein takes no traflsmembrnae regions nad the rnadom coils covers 54.81%.It owns 7 phosphorylation sites while there are no glycosylation sites.The comprehensive analysis indicts the antigen index of ORF3 coding protein is fairly high.Theoretical foundation for the design of PCV2 vaccine could be provided by method of bioinformafics analysis. Key words:PCV2;phytogenetic analysis;ORF3 coding protein;bioinformaties 猪圆环病毒病(Porcine Circovirus disease)是 and respiratory syndrome virus,PRRSV)、猪细环病 由猪Ⅱ型圆环病毒(Porcine Circovirus Type 2, 毒(Torque teno SUS virus,1 uV)等混合感染[2],给 PCV2)引起的一种主要感染哺乳猪到育成猪的 PCV2的防控带来了更大的挑战。 传染性疾病。现已证明【l1,PCV2与断奶仔猪多系 PCV2是一种单股负链DNA病毒,基因组为 统衰弱综合征(Post—weaning muhisystemic wasting 环形,大小约为1.768 kb。病毒粒子为二十面体 syndrome,PMWS)、猪呼吸道综合征(Porcine res— 对称结构,直径为17 nm,在CsC1中的浮密度为 piratory disease complex,PRDC)及猪皮炎和肾病 1.37 g/em 『3】。Hamel等【4报道,PCV2基因组可分为 综合征(Porcine dermatitis and nephropathy,PDNS) 11个开放阅读框(open reading frames,ORFs),即 有密切的联系。自2001年PCV2首次在我国分 ORF1~ORF1 1。ORF1编码与病毒复制相关蛋 离出以来,就一直呈现较大面积的流行,并呈现 白,与PRRSV共感染中发挥重要作用嘲。ORF2 同猪繁殖与呼吸综合征病毒(porcine reproductive 编码病毒主要的衣壳蛋白,其1 331~1 339位 收稿日期:2012—05—15 基金项目:南京农业大学大学生创新项目(SRT项目)(1004A04) 作者简介:高歌(1989一),女,河南开封人,在校学生,研究方向:动物传染病。茅翔为通讯作者。 ・881・ 山西农业科学2012年第4O卷第8期 点的9个核苷酸序列决定病毒的毒力l 6I。同时, GQ358992.1,FJ608543.1,FJ870969.1,AY556475.1, ORF2蛋白能有效递呈胞内的质粒DNA川,具备 GU45032K1,EF524535.1,HQ39502 ̄1,DQ19567 ̄1, 良好的抗原性嗍。ORF3主要编码诱导细胞凋亡蛋 EU257515.1,AF027217。 白,这种蛋白是病毒复制的非必需蛋白,但其能 1.2同源性和进化分析 导致宿主B淋巴细胞核CD4+T淋巴细胞的消 应用MEGA 4.0软件进行序列的进化分析、 耗衰竭,增强病毒的复制扩散l9J。PCV2能够激活 DNAStar进行序列同源性分析。 NF一7Bt蚓,反过来激活的NF一7B有利于病毒的相 1.3生物信息学数据库 关复制与感染,在这个过程中活性氧物质(Reac— 常见的生物信息学数据库和在线软件如表 tive oxygen species,ROS)起重要的调节作用ll”, 1所示。利用表1中的在线工具分析蛋白质的氨 ORF4~ORF11编码蛋白功能未知。目前,国内外 基酸组成、等电点及疏水性等理化性质,进行二 还没有ORF3编码蛋白晶体结构的相关报道。 级结构和跨膜结构以及糖基化位点和磷酸化位 本研究通过序列比对和构建进化树,研究 点的预测。利用DNAStar软件对ORF3蛋白进行 PCV2江苏株的基因序列情况,为PCV2进化研 B细胞抗原表位综合预测。 究提供理论参考。利用生物信息学的方法分析 ORF3蛋白的性质,为临床上构建PCV2的拮抗 2结果与分析 性小肽及基因工程疫苗设计提供理论参考。 2.1 同源性分析 1 材料和方法 由DNAStar分析序列的同源性,其结果如图 1所示。图1结果表明,江苏株与安徽株、北京 1.1试验材料 株、广东株、广西株、河南株、江西株、上海株、山 以PCV2江苏株(NCBI编号为GQ358994.1) 东株、浙江株的同源性都超过99%,其中,与上海 全基因组为基因序列分析对象,参考毒株为安 株同源性最高,达99.7%;与加拿大分离株的同 徽、北京、广东、广西、河南、江西、山东、上海、浙 源性仅为95.9%,与江苏株分离的PCV1同源性 江、加拿大等地分离的毒株,NCBI编号分别为: 为76.2%。 表1 常见的生物信息学数据库及软件 相似性 i'i 2 3 4 1 5 6 7 8 9 t0 ' t2 '3 '4 '■■ 4 1.2 ’.2 ’.2 2 1.2 1 1 2 '.O 1,2 1,2 嘻2 2 ' FRSfiO030 2 404.2 ■● 1 2 1 2 1.2 .2 .2 1.2 1 6 .2 2 2 '2 2 2 }圳224451 3 154{ 1643 —■ 997 9g3 9g9 99:4 95鲁 99.5 76.4 99.5 99 8 斡.7 §g.5 3 1e;o358鲁鲁 4 1555 ,636 O3 ■● 99. 99.8 99 3 958 99.3 76,4 99.4 鲁9.7 99.5 993 4 l 6o8543 离 散 5 541 1693 O7 O.§ ■■ 993 99 7 962 9瞢3 7{s 4 §93 99.2 99 98.9 S j870969 性 6 1537 1648 O 1 O、2 7 _ 9g5 96O 99.5 784 g9奄 9兮.8 9譬.8 99.5 6 55黾蜩5 各 分 7 153 7 165窘 O 6 .7 O.3 诬5 _ 962 99.5 78.4 994 99.3 ∞.6 99.0 7 0U450328 离 8 1604 {7 1 .|2 4.3 40 4.1 4.0 I■ 95.g 76.4 95:9 95 9 96.O 95.8 8 AF027217 株 9 55 5 1854 O5 O.7 O.7 O.5 O.5 4.3 _ 76.2 99.S 99.暹 99.7 .1 9 GQ358994 1O 174.4 97 27 O 28 27.O 26 9 27O 27 O 27.1 76,4 7鼠5 76.5 76。2 '0 GU722334 1' 气55 4 165 2 O 5 O.e 7 O. 0.晷 4.3 O.5 27.o ■■99 4 9密17 g9.2 " EF524535 12 155,O 1654 O.2 O3 O.9 O.2 017 4.3 o.8 26.8 0.6 I—一99.6 蚤94 12 ¨ 3g5020 13 53,O , 62 O3 O.5 O 5 OI_2 O.4 4.1 O.3 26 8 口3 o4 _ 99.3 13 DQ1 95 79 14 1541 1644 O.5 O 7r 1., 髓5 .0 4.4 O.9 27.’ 0§ O.8 O,7 一 '4 EU2575 5 ' 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 't 12 l3 14 图1 各分离株的序列相似性比较 ・882・ 高歌等:猪Ⅱ型圆环病毒江苏株全基因进化及ORF3蛋白的生物信息学分析 2.2进化分析 该段蛋白稳定性极差,脂肪系数为75.87,疏水性 用MEGA软件进行系统进化分析,结果如 评估系数为一0.216。该蛋白中,丝氨酸(Set)含量 图2所示。图2结果表明,PCV主要有2个较大 最高,为11.5%;其次为脯氨酸(Pro)和亮氨酸 的分支:PCV1和PCV2。在PCV2构成的分支中, (Leu),分别为10.6%和8.7%;甲硫氨酸(Met)的 江苏株与上海株亲缘性最高,与加拿大的分离株 含量最低,为1.0%。 亲缘性最远。PCV与同属的鸡贫血病毒和猪细环 2.4 ORF3蛋白跨膜区域分析 病毒有一定的亲缘性。 应用在线软件TMHMM预测ORF3蛋白的 跨膜区域,结果表明,ORF3蛋白没有可能的跨膜 区域,全部为膜外蛋白(图3)。 1・2 魁l-O O.8 o.6 O・4 0.2 0 20 40 6o 8O l0o 序列位点 A.膜外蛋白;B.跨膜蛋白;C.膜内蛋白。 O.2 图3 0RF3蛋白跨膜蛋白区域预测 图2 P0V毒株的进化树分析 2.5 ORF3蛋白二级结构预测 2.3 ORF3蛋白理化性质分析 币0用http://npsa—pbil.ibcp.fr/cgi—bin/npsa_au— 利用http://www.expasy.org/tools/protparam.html tomat.pl?page=/NPSA/npsa_seccons.htm在线工具 在线工具对蛋白质的各种理化性质进行预测, 对ORF3蛋白的二级结构进行预测,结果表明, ORF3蛋白大约含有104个氨基酸残基,分子量 ORF3蛋白的Ot螺旋所占比例为6.73%,伸展片 约11.910 kDa,理论等电点为l0.20,高于7.00, 段为26.92%,B转角为11.54%,自由卷曲为 说明该蛋白呈碱性。其不稳定系数为70.26,说明 54.81%。其具体分布如图4所示。 20 4o 60 80 螺旋…;p折叠…;伸展片段lII;自由卷曲…。 序列位点 图4 0RF3蛋白的二级结构预测 2.6 ORF3蛋白糖基化位点和磷酸化位点分析 利用http://www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos 利用http://www.cbs.dtu.dk/services/DictyOGlyc 在线工具对ORF3蛋白进行磷酸化位点分析,结 在线工具对ORF3蛋白进行糖基化位点分析,结 果表明,ORF3蛋白一共有8个可能的磷酸化位 果表明,ORF3蛋白没有可能的糖基化位点(图5)。 点(图6),其中,丝氨酸(Ser)有4个,分布于第 63,97,99,100 aa;苏氨酸(Thr)有3个,分布于第 30,77,91 aa;酪氨酸(Tyr)有1个,位于第39 aa。 2.7 ORF3蛋白抗原表位分析 按照Kyke—Doolittle的氨基酸亲水性标准, ORF3蛋白具有较高的亲水性,主要包括第28— 39,51 69。74~92,95~105 aa区段;根据Emini A.阈值;B.可能性。 原则分析表面可及性,结果显示,ORF3蛋白中表 图5 0RF3蛋白糖基化位点预测 面可及性较高的区域主要分布在第62一 ・883・ 山西农业科学2012年第40卷第8期 68,83~9O,96 105 aa区段,而且这些区段都位 剂、PRRSV、多杀性巴氏杆菌等混合感染等因素 于亲水性区域;Jameson—Wolf法预测ORF3蛋白 共同作用,会引起猪圆环病的暴发,表现PMWS, 抗原指数的结果显示,ORF3蛋白的亲水性区域 PDNS等。PCV2一般通过呼吸道、消化道传播, 抗原指数较高(图7),主要分布在第30~37,54— 也可经胎盘传播,何孔旺等首次在猪粪便中分离 68,81 9l,95~105 aa区段。综合预测结果, 出PCV2的基因幺且【堋。ORF3蛋白含有较为复杂 ORF3蛋白上位于蛋白分子表面且亲水的区段很 的二级结构,无糖基化位点,但有多个磷酸化位 可能是B细胞表位的优势区段。 点,说明其可能有较为活泼的反应性,能够参与 多种病毒与宿主的相互反应。有研究表明,位于 密码子41,103位发生的突变引起病毒的进 化,使得各PCV2基因型之间区分更为显著[141。 ORF3蛋白的53~68 aa与85~104 aa能显著地 调节病毒融合蛋白的细胞核内定位【l5】,在病毒复 制的核内定位中有重要意义。Stevenson等表明, ORF3蛋白能够表现T细胞免疫显性(T—cell im— 序列位点 munodominant)[垌。国内徐廷川等【’7】原核表达得到 A.阈值;B.丝氨酸;C.苏氨酸;D.酪氨酸。 图6 ORF3蛋白磷酸化位点预测 ORF3蛋白,免疫学研究其也有较强的免疫原性, 这些与本研究抗原性预测结果相一致。有研究表 D数值范围 日月【 81,通过缺失ORF2序列的51 103位核苷酸 4.5 构建病毒相似粒子virus—like particle,VLP),依 0 -亲水性 然表现了良好的免疫性,ORF3主要编码毒力相 4.5 6.O 关蛋白,诱导细胞凋亡,对于病毒与宿主的作用 (如复制、感染、定位、致病性等)有重要意义【191, 1.O 口表面可及性 对于构建碱基缺失疫苗有重大的参考价值,不仅 1.7 l抗原指数 可以起到免疫效果,也可区分野毒与弱毒疫苗感 0 1.7 染。目前,尚无ORF3蛋白晶体结构的报道,通过 图7 ORF3蛋白的亲水性、抗原指数及表面可及性分析 对ORF3蛋白进行生物信息学分析,对于阐明病 毒一宿主相互作用有着重要的生物学意义,进一 3 讨论 步通过运用反向遗传技术,为开发PCV2的诊断 和疫苗试剂提供一定的参考借鉴。 PCV2对各种年龄的猪都可感染,但主要感 染仔猪,往往在断奶后发病,一般集中在5~ 参考文献: l8周龄,尤其以6—12周龄多见。PCV2感染表 [1]中国农业科学院哈尔滨兽医研究所.动物传染病学【M】.北 现的疾病主要有PMWS,PDNS,增生性坏死性结 京:中国农业出版社,2008. 肠炎,繁殖障碍等。目前,我国猪群表现出了较高 [2]夏应菊,訾占超,蔡林,等.猪细环病毒和猪圆环病毒2型混 的PCV2抗体阳性,感染情况相当严重[121。通过进 合感染状况的调查【J】.畜牧兽医学报,2012,43(2):424—430. 化分析表明,国内的PCV2呈现高度的序列相似 [3]陈溥言.兽医传染病学【M】.北京:中国农业出版社,2006. 【4j Hamel A L,Lin L L,Nayar G P.Nucleotide sequence ofporcine 性,说明其进化变异较为保守,这可能与DNA环 circovims associated with postweaning multisystemie wasting 状病毒自身稳定性有关。随着PCV2流行的日益 syndrome in pigs[J].J Virol,1998。72(6):5262—5267. 严重,以及与其他传染病的混合感染,研究病毒 15 J Sinha A,Lin K,Hemann M,et a1.ORF1 but not ORF2 depen— 进化流行规律、开发安全高效的疫苗成为研究的 dent diferences are important for in vitro replication of PCV2 in 热点。 porcine Mveol ̄macmphages singularly or coinfected with PRRSV[J].VetMiembiol,2012,158(1/2):1-9. 单一的PCV2感染一般不会引起发病,但如 16 J Krakowka S,Allan G,Ellis J,et a1.A nine—base nueleotide se 果与诸如饲养管理不善、各种应激、使用免疫佐 quenee in the porcine circovirus type 2(PCV2)nucleocapsid .884. 高歌等:猪Ⅱ型圆环病毒江苏株全基因进化及ORF3蛋白的生物信息学分析 gene determines viral replication and virulence【J].Viurs Res, prevalent porcine cierovirus 2 isolated from piglet stol samples 2012。164(112):90—99. inChina[J].JVirol,2012。86(8):4716. 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