Neuritin结构组成分...相互作用蛋白生物信息学预测_李煜.pdf

第 卷 第 期 年 月石河子大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家科技重大专项（民口）重大新药创制项目（）；浙江省重点研发项目（）作者简介：李煜（），男，硕士研究生，专业方向为基础医学。通信作者：杨磊（），男，教授，博士生导师，从事蛋白质功能与疾病方面的研究，：。：.文章编号：（）结构组成分析及其相互作用蛋白生物信息学预测李煜，孟平平，王宿洁，朱礼彦，朱金辉，陈仁伟，杨磊（石河子大学医学院，新疆 石河子；杭州师范大学医学院，浙江 杭州）摘要：目的 对 的理化性质及结构组成，蛋白质相互作用网络进行生物信息学预测分析，为进一步研究 的功能和作用机制提供新的思路与方向。方法 应用 和、和 等软件，分析 的理化性质、跨膜结构、信号肽结构、亚细胞定位以及翻译后修饰位点；利用、以及 等软件和数据库，分析 的二级和三级结构；同时，利用 数据库构建 蛋白质相互作用网络。结果 的相对分子质量为 .，理论等电点（）为.。不稳定系数.，属于较稳定蛋白；脂肪系数.；总平均亲水性.，属于疏水性蛋白；表达产物 端 个氨基酸为信号肽，端 个氨基酸为 锚定序列，为跨膜区；其亚细胞定位及可能性分别为胞外（.）、细胞膜（.）、内质网（.）及高尔基体（.）；无 糖基化及 糖基化位点，存在 个磷酸化位点；由 段 螺旋构成其主体结构；相互作用蛋白网络包括离子型谷氨酸受体（）家族、嗅觉介导素（）家族等 个蛋白。结论 为经典的分泌蛋白，具有多个磷酸化氨基酸残基的潜在位点，整体呈现疏水性质，可能通过 蛋白家族发挥兴奋性突触传递作用，通过 蛋白调控胞内钙通路产生生物学效应，本研究为进一步探讨 的功能及发挥作用的机制提供了依据。关键词：；理化性质；结构预测；蛋白质相互作用网络；生物信息学中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，；，.，（）.，.，（.），（.），（.）（.）（）石河子大学学报（自然科学版）第 卷 （）：；随着脊髓损伤（，）、阿尔兹海默病（，），脑血管意外（，）等疾病呈现高发生率、高致残率等特点，神经退行性疾病已成为威胁人类生存质量的主要疾患。提高受损神经的修复能力，改善患者的生存质量，成为亟待解决的严重社会问题和科学问题。治疗神经系统疾患的关键是有效地维持神经元的存活、促进突起生长并建立新的突触联系，各种神经营养因子在上述过程中发挥着非常重要的作用。是在神经发育和可塑性中发挥重要作用的神经营养因子，能够明显促进神经突起的生长及其分支形成和突触的发育成熟，调节突触回路的形成；并可抑制凋亡，维持神经元的存活，可能是胚胎发育中唯一维持神经元存活的神经营养因子。研究显示 与损伤后的神经再生和修复、学习记忆密切相关，是神经生长因子（，）、脑源性神经营养因子（，）、雄激素发挥作用的重要效应因子，且能改善 模型鼠的认知功能。由此可见，与神经网络和突触环路的形成密切相关，是影响生物体学习记忆的重要因子。但当前对 的研究主要集中在其表达水平与生物学功能方面，对其结构与功能的关系尚待进一步研究，对其发挥生物学功能的具体机制及下游相互作用蛋白尚不清楚。为进一步研究 的性质，探讨其发挥生物学功能的方式及下游相关相互作用蛋白，对其进行结构组成分析及生物信息学预测研究。本研究通过应用多种生物信息学软件对 的理化性质、结构、功能及相互作用等进行分析，通过组成分析明确 蛋白的基本性质，通过结构预测判断 主要的功能基团，观察其结构骨架，通过相互作用蛋白分析预测 的作用靶点，推测其可能发挥作用的机制，为进一步研究 的功能与作用机制提供新的思路与方向。材料与方法.理化性质及序列分析 在 （）网站获取 的氨基酸序列，其 登录号为 .。应用在线软件 （：）分析 理化性质和一级结构，应用 分析 亲疏水性（：）。此 外，利 用 .对 进行信号肽序列分析，判断标准为 值是否高于.；同时利用 值寻找剪切位点。通过 进行 跨膜区域分析（：？.）。利用 进行 亚细胞定位分析（：）。.二级及三级结构预测 应用 软件、及 方法预测 蛋白二级结构。使用 利用从头合成原理预测 蛋白三级结构；同时，利用 开源数据库获取 蛋白全长预测结构。.翻译后修饰位点分析 利用在线软件 .及 .进行 糖基化位点和 糖基化位点分析，利用 对 的磷酸化位点进行分析。.相互作用蛋白预测 通过 数据库寻找与 相互作用的蛋白并构建蛋白质相互作用网络，设置为高置信度，置信度 值为.，蛋白数量少于。结果.活性片段的理化性质 分析结果显示，全长 个氨基酸，相对分子质量为 .，理论等电点（）为.。组成 的氨基酸共 种，其中亮氨酸（）含量最高，为.，含量最少为组氨酸，仅.（图）。当 个半胱氨酸全部游离情况下、消光系数为.；在 个半胱氨酸全部形成二硫键情况下、消光系数为.；第 期李煜，等：结构组成分析及其相互作用蛋白生物信息学预测 不稳定系数.，属于较稳定蛋白，脂肪系数.；总平均亲水性.，整体亲水。此外，分析 亲疏水性结果显示，可见 总体疏水区大于亲水区，其中疏水性最大的为第 位亮氨酸，分值为.；亲水性最大的为第 位赖氨酸，分值为.（图）。图 氨基酸组成与比例图 亲疏水性预测.的序列分析 对 进行序列分析，首先是信号肽及剪切位点预测方面，.预测结果显示，为经典的分泌型蛋白，信号肽序列为 位氨基酸，均值大于.；位丙氨酸（）值最大，为信号肽剪切位点（图）。其次为跨膜结构方面，.预测结果提示，除前述 端 个氨基酸所构成的信号肽外，尚有 号位氨基酸所组成的跨膜序列，考虑为 锚定序列（图）。此外，亚细胞定位方面，预测结果显示，定位于不同位置的可能性分别为胞外（.）、细胞膜（.）、内质网（.）及高尔基体（.）。图 信号肽分析与剪切位点识别图 跨膜序列预测.二级及三级结构预测 应用 软件、及 方法预测 蛋白二级结构，其中使用、分析 螺旋、折叠区域；应用、及 方法预测柔性区域（图）。使用 利用从头折叠的原理预测 蛋白三级结构，同时又利用 开源数据库获取了 蛋白预测结构，两数据库预测结果除 端 锚定序列处略有差别外，其余部分趋势相同。由五段 螺旋构成其主体结构，其中 端 个氨基酸为信号肽，端 个氨基酸为 锚定序列（图）。图 二级结构预测：预测；：预测。图 三级结构预测.翻译后修饰分析预测 应用在线软件 .及.进行 糖基化位点和 糖基化位点分析，结果显示 无 糖基化位点及 糖基 石河子大学学报（自然科学版）第 卷化位点；应用在线软件 .进行磷酸化氨基酸残基的位点预测，结果显示 具有 个磷酸化氨基酸残基的潜在位点（图），具体氨基酸位点信息如下（表）。图 磷酸化位点预测表 蛋白质磷酸化氨基酸残基的潜在位点及类别磷酸化氨基酸残基的潜在位点氨基酸类别丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸.相互作用蛋白预测 数 据 库 预 测 结 果 显 示，按 置 信 度（）排序，从高到低选取十个相互作用蛋白构成（个氨基酸）蛋白质相互作用网络（图），主要包括了 蛋白家族，蛋白家族以及 等，具体蛋白信息及置信度如下（表）。图 蛋白质相互作用网络表 蛋白质相互作用网络信息及可信度蛋白质名称英文名称及缩写可信度离子型谷氨酸受体 ；.嗅觉介导素 ；.嗅觉介导素 ；.血管性血友病因子 结构域 样蛋白 ；.大同源物 ；.离子型谷氨酸受体 ；.离子型谷氨酸受体 ；.离子型谷氨酸受体 ；.血管性血友病因子 结构域 ；.钙通道电压依赖性 亚基，；.讨论 具有促进神经元突起生长，抑制凋亡，促进突触发育成熟，维持神经元存活等生物学功能，在神经发育、损伤后修复和学习记忆中发挥重要作用。本研究利用各种生物信息学软件对 进行结构组成及相互作用蛋白网络的预测分析，通过上述预测分析，明确了 的基本结构组成，包括亚细胞分布、结构骨架、信号肽、锚定位点，翻译后修饰等，同时，建立了 相互作用蛋白网络，发现其相互作用蛋白的功能主要集中在神经发育、突触可塑性及抑制细胞凋亡等方面。本研究利用的生物信息学方法均为公认可靠的方法，针对 进行一级结构分析可以明确，位于人基因组.，全长，表达产物由 个氨基酸残基构成，其中 位氨基酸残基为信号肽，位氨基酸为活性片段，位氨基酸为跨膜锚定序列。从系统进化角度而言，氨基酸序列高度保守，多种物种序列分析显示，其氨基酸组成无明显差异。同时，是经典的分泌型蛋白，分泌后以锚定型形式利用 锚定位点锚定在细胞膜上发挥功能。、方法广泛应用于蛋白质二级结构预测中。方法主要根据残基的倾向性因子，沿蛋白序列寻找二级结构的第 期李煜，等：结构组成分析及其相互作用蛋白生物信息学预测 成核位点和终止位点从而进行预测，而 方法不仅考虑到被预测位置本身氨基酸残基种类对该位置构象的影响，也对相邻氨基酸残基序列进行综合分析，这种方法提高了预测的置信度。针对 蛋白而言，在 位、位氨基酸残基处，两种方法预测结果存在部分差异，考虑是 位信号肽序列以及 位 锚定序列影响了上述方法对于二级结构的预测。综合以上两种方法预测结果，可认为 结构骨架主要由 螺旋及 折叠构成，位、以及 位氨基酸残基所形成的 个较大 螺旋区域，维持了 蛋白的稳定结构，符合其高疏水性的特点，而 位氨基酸残基及 位氨基酸残基处为表面可及区域，与这部分氨基酸残基呈现高亲水性特点有关，可能参与其功能基团的形成。蛋白三级结构预测是生物信息学研究中的一个重要的研究方向，提高蛋白结构预测的准确度，对药物作用靶点的发现，蛋白质相互作用的具体机制以及蛋白结构的解析具有重要意义。腾讯 科研团队 利 用“从 头 折 叠”的 原 理 研 发 工 具“”，用以预测蛋白的三级结构，并将其用于“分子置换”的初始构型来解析晶体数据，有效提升了蛋白结构预测精度。是一个基于神经网络的计算模型，该方法结合蛋白的物理和生物学方法，利用多序列比对来设计深度学习算法，其准确度可达到原子水平。以及从 开源数据库所获取的 三级结构预测分析结果主要趋势一致，与前述亲疏水性分析及二级结构预测所得到的结果相符，仅 预测结果在 端 位氨基酸残基增加了部分 折叠区域。最后，我们对与 相互作用蛋白进行了预测和分析，众所周知，蛋白质相互作用是蛋白质分子发挥其生物学功能的主要方式，构建蛋白质相互作用网络有利于明确与目的蛋白有相互作用的分子，这为研究目的蛋白的生物学功能和发挥生物效应的机制提供重要依据。主要具有抑制细胞凋亡、促进神经突起的生长及其分支形成、促进突触的发育成熟并维持突触的可塑性，维持神经元的存活的作用，但尚未明确其发挥作用的受体及具体机制。本研究利用数据库按照置信度从高到低选取 个蛋白构建 相互作用蛋白网络，主要包括 蛋白家族，蛋白家族及 等，其中，家族成员（、）为谷氨酸 离子通道型受体，在中枢神经系统中起配体门控离子通道的作用，在兴奋性突触传递中起重要作用。有趣的是，等发现 可促进兴奋性突触的稳定及成熟，利用其 锚与 受体发生相互作用，促进新生棘突的稳定与突触成熟。是一种电压依赖性钙通道蛋白，主要参与细胞内钙通路以及谷氨酰胺信号通路。无独有偶，等发现 可增强胞内钙水平，上调细胞表面.及.的表达，此过程受胰岛素受体（）、以及钙调神经磷酸酶（）介导。属于膜关联鸟苷酸激酶蛋白家族，与 受体信号传导相关的突触可塑性有关。表达异常会改变海马神经元中兴奋性突触与抑制性突触的比例，而 可以激活 通路促进.表达，增加小鼠内侧前额叶皮质兴奋性突触后电流频率和谷氨酸释放，影响神经元兴奋性或突触活动，从而改变神经网络的兴奋性。、是嗅素结构域家族（）中的成员，蛋白的生物学功能尚不清楚，但较多证据显示其可在正常发育和病理过程中起重要作用。在小鼠视网膜中有表达，的突变会阻断其分泌；抑制 及其同家族蛋白成员的活性，会导致视网膜病变。有趣的是，有文献报道，基因表达高峰出现在视觉发育关键期，同时其在受损视神经中表达上调。综上，蛋白可能通过与上述蛋白因子互作在神经元发育、突触可塑性、钙调通路以及视觉发育过程中发挥重要的作用，但具体机制仍需进一步研究证实。本研究综合多种生物信息学手段，探讨了 的基本理化性质及其结构组成，构建了高可信度的 相互作用蛋白网络，为研究其在神经退行性疾病中发挥作用的机制，探索 的作用靶点