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肿瘤的人源性IGFBP3因子的生物信息学方法探究

时间:2018-09-30 10:54作者:乐枫
本文导读:这是一篇关于肿瘤的人源性IGFBP3因子的生物信息学方法探究的文章,胰岛素样生长因子 (IGF) 信号通路属于人类进化过程中保守的信号通路, 在调节胚胎分化、个体发育等方面具有极其重要的作用。IGF信号通路包括IGF、IGF受体及IGF结合蛋白 (IGFBP) 。

  生物信息学论文第三篇

  题目:肿瘤的人源性IGFBP3因子的生物信息学方法探究


  摘要:目的 采用生物信息学方法预测人源性胰岛素样生长因子结合蛋白3 (IGFBP3) 的分子结构和生物学功能。方法 从美国生物信息中心获取人源性IGFBP3基因mRNA和蛋白氨基酸序列, 利用ORF Finder在线工具分析IGFBP3蛋白开放阅读框, ProtParam预测IGFBP3蛋白的理化性质, Predict-Protein和SOPMA工具预测IGFBP3蛋白的二级结构, SWISS-MODEL预测IGFBP3蛋白的三级结构, Signal P4.1 Server和NLStradamus工具预测IGFBP3蛋白的信号肽和核定位信号, TMHMM软件包分析IGFBP3蛋白的跨膜区, BLAST工具预测IGFBP3蛋白的结构域, String软件预测与IGFBP3蛋白相互作用的蛋白, Gene Ontology Consortium预测IGFBP3蛋白的生物学功能。结果IGFBP3属于不稳定亲水性分泌蛋白, 二级结构主要为环状结构和螺旋结构, 无跨膜区, 包含5个保守结构域, 能在细胞核中发挥生物学效应, 与MMP2等多种蛋白作用紧密。IGFBP3可参与细胞凋亡、细胞增殖负调控、蛋白质磷酸化负调控、信号转导负调控、胰岛素样生长因子受体信号通路调控等生物学功能。结论 人源性IGFBP3是肿瘤发生的负性调控因子, 可介导MMP2及其下游信号通路, 参与调控肿瘤的发生、发展。

  关键词:胰岛素样生长因子结合蛋白3; 生物信息学; 分子结构; 生物学功能; 基质金属蛋白酶2;

生物信息学

  Bioinformatics analysis and significance of human insulin-like growth factor binding protein-3

  ZHOU Dajie CHEN Xiaowei JIA Yanfei ZHANG Yujie MA Xiaoli

  WeiFang Medical University

  Abstract:

  Objective To predict the molecular structure and biological function of human insulin-like growth factor binding protein-3 ( IGFBP-3) . Methods IGFBP-3 mRNA and amino acid sequences were obtained from the American Bioinformatics Center. The tool ORF Finder online was used to analysis open reading frames, and ProtParam was used to predict physicochemical properties of IGFBP-3. Predict-Protein and SOPMA tools were used to predict the secondary structure of IGFBP-3, SWISS-MODEL was used to predict tertiary structure of IGFBP-3, Signal P4. 1 Server and NLStradamus tools were used to predict signaling peptide and nuclear localization signals of IGFBP-3, TMHMM software package was used to analyze the transmembrane region of IGFBP-3, BLAST tool was used to predict IGFBP-3 protein domains, String software was used to predict protein-protein interactions, and Gene Ontology Consortium was used to predict the biological function of IGFBP-3. Results IGFBP-3 was an unstable hydrophilic secretion protein, whose secondary structure was mainly the loop structure and the helix structure, with no transmembrane area, contained five conserved domains, and played biological effects in the nucleus. GO analysis showed that IGFBP-3 was involved in physiological activities such as apoptosis, negative regulation of cell proliferation, protein phosphorylation, signal transduction and insulin-like growth factor receptor signaling pathway. Conclusion Human IGFBP-3 is a negative regulator of tumorigenesis, mediates MMP2 and its downstream signaling pathway, and thus regulate the occurrence and development of tumor.

  Keyword:insulin-like growth factor binding protein-3; bioinformatics; molecular structure; biological function; matrix metalloproteinase 2;

  胰岛素样生长因子 (IGF) 信号通路属于人类进化过程中保守的信号通路, 在调节胚胎分化、个体发育等方面具有极其重要的作用。IGF信号通路包括IGF、IGF受体及IGF结合蛋白 (IGFBP) 。IGFBP可调节IGF活性且具有组织特异性, 其家族由6个高度同源性、与IGF有高亲和力的蛋白组成。IGFBP3是IGFBP家族成员之一, 可作为负性调节因子抑制肿瘤细胞增殖、侵袭和迁移, 并可预估肿瘤的发生风险[1~3]。IGFBP3在过去几年已引起临床关注, 但迄今鲜见人源性IGFBP3生物信息学分析的相关报道。2017年10月~2018年3月, 本研究对人源性IGFBP3的理化性质、二级结构、三级结构、亲水性、信号肽、亚细胞定位、跨膜区、结构域及其相互作用蛋白进行生物信息学分析, 旨在进一步探索人源性IGFBP3的生物学功能及分子作用机制。

  1 材料

  从美国生物信息中心 (NCBI) 获取人源性IG-FBP3基因mRNA序列GI:224809341, IGFBP3蛋白氨基酸序列NP_001013416.1。IGFBP3蛋白氨基酸序列的FASTA文件格式:MQRARPTLWAAALTLLV-LLRGPPVARAGASSAGLGPVVRCEPCQPCGIDARAL-AQCAPPPAVCAELVREPGCGCCLTCALSEGYTERCG-SGLRCQPSPDEARPLQALLDGRGLCVNASAVSRLRA-YLLPAPPAPGEPPAPGNASESEEDRSAGSVESPSVSS-THRVSDPKFHPLHSKIIIIKKGHAKDSQRYKVDYESQ-STDTQNFSSESKRETEYGPCRREMEDTLNHLKFLNV-LSPRGVHIPNCDKKGFYKKKQCRPSKGRKRGFCWC-VDKYGQPLPGYTTKGKEDVHCYSMQSK。

  2 方法与结果

  2.1 IGFBP3基因ORF分析

  采用开放阅读框架 (ORF) Finder在线工具分析和界定IGFBP3基因的ORF。IGFBP3基因的核苷酸序列包含114个ORF, 最长的ORF是ORF45, 共519 bp, 可编码172个氨基酸。

  2.2 IGFBP3蛋白的理化性质分析

  采用ProtParam工具预测IGFBP3蛋白的理化性质, 包括蛋白的分子量、氨基酸组成、脂肪指数、不稳定系数、亲水性等。IGFBP3蛋白含19种氨基酸, 氨基酸数为297个, 其中丙氨酸 (8.8%) 、精氨酸 (7.7%) 、天冬酰胺 (2.0%) 、天冬氨酸 (4.0%) 、半胱氨酸 (6.1%) 、谷氨酰胺 (3.7%) 、谷氨酸 (6.1%) 、甘氨酸 (8.1%) 、组氨酸 (2.4%) 、异亮氨酸 (2.0%) 、亮氨酸 (8.4%) 、赖氨酸 (6.4%) 、蛋氨酸 (1.0%) 、苯丙氨酸 (1.7%) 、脯氨酸 (9.8%) 、丝氨酸 (9.1%) 、苏氨酸 (3.7%) 、色氨酸 (0.7%) 、酪氨酸 (3.0%) 、缬氨酸 (5.4%) 。分子式为C1390H2230N418O422S21, 分子量为32 222.80 Da。理论等电点为8.96。不稳定指数为51.58, 属于碱性不稳定蛋白。脂肪指数为65.08, 亲水性为-0.547。由此推测, IGFBP3为亲水性蛋白。

  2.3 IGFBP3蛋白的二级结构

  采用Predict-Protein工具中的PROFSec法 (神经网络算法) 分析IGFBP3蛋白的二级结构, SOPMA分析IGFBP3蛋白的二级结构组成。IGFBP3蛋白主要为环状结构, 其次为螺旋结构;溶剂可及性分析主要为暴露;其二级结构中, α螺旋占18.52%, 无规则卷曲占68.35%, β折叠占13.13%。

  2.4 IGFBP3蛋白的三维结构

  运用SWISS-MOD-EL在线工具构建IGFBP3蛋白的三维结构模型, 该模型质量评价参数GMQE为0.19、QMEAN为1.63。建模结果表明IGFBP3氨基酸序列 (第37~116位氨基酸) 与其模板1wqj.1.A有56.96%相似度, 属于IGFBP蛋白家族。见图1。

  图1 IGFBP3蛋白的三维结构分析

  2.5 IGFBP3蛋白的信号肽预测及核定位

  采用Signal P4.1 Server中神经网络模型预测IGFBP3蛋白的信号肽, 得到C、Y、S三个数值, 运用NLStradamus工具预测IGFBP3蛋白的核定位信号 (NLS) 。Y值是综合S值和C值所得的参数, 此位点在C值最高和S值最陡峭处, 此结果表明IGFBP3蛋白存在信号肽。D值是Y-max和S-mean的平均值, D值对判定分泌蛋白有指导意义。由D值可知, IGFBP3为分泌蛋白 (见图2) 。NLS信号肽可介导蛋白质通过核孔复合体入核。本研究NLStradamus工具预测结果显示, IGFBP3氨基酸序列存在NLS, 提示IG-FBP3可定位于细胞核 (见图3) 。

  图2 IGFBP3蛋白的信号肽分析

 

  图3 IGFBP3蛋白的核定位预测

  2.6 IGFBP3蛋白的跨膜区预测

  利用TMHMM Server v.2.0软件包对IGFBP3蛋白的跨膜区进行预测。结果显示, IGFBP3蛋白在跨膜区中的氨基酸期望值为4.236 98 (当数值大于18时, 表示有跨膜区) , 故IGFBP3蛋白为无跨膜区。

  2.7 IGFBP3蛋白的结构域预测

  运用NCBI中的BLAST工具预测IGFBP3蛋白的结构域, 采用BLAST工具分析IGFBP3的保守区域。结果显示, IGFBP3蛋白的氨基酸序列含有5个保守区域, 分别为IB、Thyroglobulin_1、TY (cd00191) 、IGFBP、TY (smart00211) 。

  2.8 与IGFBP3蛋白相互作用紧密的蛋白及生物学功能预测

  利用String软件预测与IGFBP3蛋白相互作用紧密的蛋白, Gene Ontology Consortium预测其生物学功能。利用String软件预测得到10种与IGFBP3蛋白作用紧密的蛋白, 分别为胰岛素样生长因子1 (IGF1) 、胰岛素样生长因子2 (IGF2) 、肿瘤蛋白53 (TP53) 、胰岛素样生长因子结合蛋白酸性不稳定亚基 (IGFALS) 、纤溶酶原 (PLG) 、激肽释放酶相关肽酶3 (KLK3) 、凝血因子2 (F2) 、基质金属蛋白酶2 (MMP2) 、基质金属蛋白酶1 (MMP1) 、跨膜蛋白219 (TMEM219) 。IGFBP3蛋白与这10种蛋白的相关系数分别为0.998、0.997、0.981、0.980、0.975、0.970、0.961、0.958、0.954、0.942。其具体相互作用蛋白的信息见图4。Gene Ontology Consortium分析人源性IGFBP3基因本体论显示, 其分子机制类型包含纤维连接蛋白结合 (GO:0001968) 、胰岛素样生长因子结合 (GO:0005520) 、重金属离子结合 (GO:0046872) 、蛋白结合 (GO:0005515) 、蛋白酪氨酸磷酸激酶活剂活性 (GO:0008160) ;其参与的生理过程包括细胞凋亡 (GO:0006915) 、细胞增殖负调控 (GO:0008285) 、蛋白质磷酸化负调控 (GO:0001933) 、信号转导负调控 (GO:0009968) 、凋亡过程正调控 (GO:0043065) 、MAPK级联正向调节 (GO:0043410) 、细胞生长调节 (GO:0001558) 、胰岛素样生长因子受体信号通路调控 (GO:0043567) ;其细胞组分包括细胞外小体 (GO:0070062) 、胞外区 (GO:0005576) 、细胞外间隙 (GO:0005615) 、胰岛素样生长因子结合蛋白复合物 (GO:0016942) 、胰岛素样生长因子三元复合物 (GO:0042567) 、细胞核 (GO:0005634) 。

  图4 与IGFBP3蛋白相互作用紧密蛋白的网络示意图

  3 讨论

  研究发现, IGFBP3可通过IGF依赖性和非依赖性机制调节多种肿瘤细胞增殖, 对肿瘤发展及患者预后具有重要意义[4~7]。IGFBP3具有功能性核定位信号, IGFBP3蛋白是亲水性蛋白, 含有一段核定位序列, 预示其可能在细胞核内发挥生物学功能。细胞核内IGFBP3参与转录调控, 可与过氧化物酶体增殖物激活受体γ结合[8], 通过增加IGFBP3表达而抑制胃癌、乳腺癌等细胞增殖[9,10]。顺铂耐药肺癌患者血清IGFBP3水平明显降低[11];食管鳞癌组织IGFBP3表达与组织病理分级有关, IGFBP3蛋白高表达者对放疗敏感, 患者总生存期明显延长[12]。IGFBP3具有抗肿瘤活性, 可与β连环蛋白破坏复合物相互作用, 从而干扰Wnt信号传导并导致β连环蛋白降解;IGFBP3还可通过CD44蛋白抑制转移性黑色素瘤中Wnt信号通路, 从而抑制黑色素瘤生长[13]。IGFBP3新型药物制剂DZ-50可增加上皮性标志物E-cadherin表达、降低间质性标志物N-钙黏着蛋白表达, 逆转上皮间质转化, 继而抑制前列腺癌细胞的侵袭行为[14]。本研究结果显示, IG-FBP3具有与IGF结合的功能, 故开发外源性IGF结合蛋白类似物药物或抑制IGFBP3蛋白酶可抑制IGF释放, 这为肿瘤治疗提供了一种新的策略。

  有研究发现, 非小细胞肺癌T1、T2期患者与T3、T4期患者以及有淋巴结转移者与无淋巴结转移者血清MMP2水平比较差异有统计学意义[15,16], 证实MMP2与肿瘤发生、发展密切相关。基底膜降解是肿瘤转移过程中的关键步骤, MMP2能够降解基底膜Ⅳ型胶原, 而Ⅳ型胶原维持基底膜完整为细胞提供结构支持并影响细胞信号转导。本研究结果发现, IGFBP3与MMP2具有明显相关性。IGFBP3与MMP2及其下游信号通路的相互作用可为探讨肿瘤机制提供了新的方向。

  本研究利用多种生物信息学分析工具对IGFBP3蛋白的分子结构和生物学功能进行分析。ORF Finder在IGFBP3 mRNA序列中发现了114个ORF, 最长的ORF是ORF45, 共519 bp, 可编码172个氨基酸, IGFBP3蛋白分子式为C1390H2230N418O422S21, 不稳定指数为51.58, 亲水性为-0.547, 为不稳定亲水蛋白。IGFBP3蛋白的二级结构主要为环状结构和螺旋结构, IGFBP3蛋白无跨膜区, 可在细胞质和细胞核中发挥作用。经BLAST工具验证, IGFBP3蛋白内含5个保守区域, 即IB、Thyroglobulin_1、TY (cd00191) 、IG-FBP、TY (smart00211) 。IB结构域为胰岛素样生长因子高亲和力结合伴侣, 主要负责调节IGFBP3与IGF的结合。目前对IGFBP3蛋白的作用机制尚不十分清楚, 本研究对IGFBP3蛋白进行系统的生物信息学分析, 为进一步研究IGFBP3蛋白的功能和作用机制奠定了基础;同时发现IGFBP3蛋白与MMP2具有高度相关性, 为下一步研究IGFBP3的作用机制提供了理论依据。

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