FOS蛋白的研究進(jìn)展及生物信息學(xué)分析

摘要：FOS蛋白作為一類核蛋白轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)控細(xì)胞生長、分裂、增殖、分化乃至程序性死亡等方面具有重要的作用，它的表達(dá)影響了許多生命活動和過程，引起了人們的廣泛關(guān)注，并在學(xué)習(xí)記憶及射精的標(biāo)記方面吸引了學(xué)者的眼球。對FOS蛋白的作用進(jìn)行了綜述，并對人、大鼠及小鼠FOS蛋白進(jìn)行了生物信息學(xué)分析，旨在為FOS蛋白在生理學(xué)方面的研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FOS蛋白；轉(zhuǎn)錄因子；生物信息學(xué)

中圖分類號：Q816；Q811.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1537-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.07.001

FOS是c-fos基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的成熟mRNA編碼的一個核磷蛋白。c-fos基因是人或動物細(xì)胞中固有的正常基因，屬于即刻早期應(yīng)答基因（Immediate early response genes，IEG），F(xiàn)OS作為一類核蛋白轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)控細(xì)胞生長、分裂、增殖、分化乃至程序性死亡等方面具有重要作用。FOS蛋白和c-fos基因受到廣泛的關(guān)注，研究不斷深入。本文就FOS蛋白的作用及其在性行為方面的研究進(jìn)行了論述，對人、大鼠及小鼠的FOS蛋白進(jìn)行了生物信息學(xué)分析。

1 FOS蛋白

c-fos基因高度保守，屬多基因家族，與其同族的還有fos-B，fos-1和fros-2。c-fos可在多種因素誘導(dǎo)下迅速地表達(dá)，其轉(zhuǎn)錄激活在5 min內(nèi)即可產(chǎn)生，一般維持15～20 min，c-fos mRNA的蓄積在刺激后30～45 min可達(dá)高峰，半衰期為12 min。FOS蛋白合成后即刻轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)，一般在刺激后20～90 min即可檢出，60～90 min達(dá)峰值，可持續(xù)2～5 h，半衰期為2 h[1]。

2 FOS蛋白的作用

在原癌基因的研究中對IEG產(chǎn)物的研究提示FOS蛋白可能是神經(jīng)元被刺激激活的一種標(biāo)志[2]?，F(xiàn)代學(xué)者認(rèn)為，F(xiàn)OS蛋白參與細(xì)胞的正常分化、生長以及學(xué)習(xí)、記憶等過程，在腦內(nèi)與皮層、海馬、邊緣系統(tǒng)、背海馬、紋狀體內(nèi)FOS蛋白的表達(dá)密切相關(guān)[3-7]。在病理狀態(tài)下與許多疾病的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)，如宮頸癌[8]、癲癇[9]。目前FOS蛋白表達(dá)還用于偏頭痛治療藥物篩選、藥效評價和發(fā)病機(jī)理研究模型的建立[10]、鑒別生前電擊與死后電擊[11]、作為臨床提示腦部受傷時間的參考指標(biāo)[12]。

FOS蛋白參與神經(jīng)肽的調(diào)節(jié)，與神經(jīng)元的可塑性有關(guān)，如細(xì)胞水平記憶的形成、神經(jīng)元損傷后的再生等[1]。當(dāng)受到如腦缺血、腦出血、血管性癡呆、癇性發(fā)作、熱應(yīng)激、恐懼和憤怒應(yīng)激等刺激后，其在數(shù)分鐘內(nèi)做出反應(yīng)，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域出現(xiàn)不同數(shù)量的FOS蛋白表達(dá)[13]，如室旁核[14，15]、下丘腦視上核、下丘腦、杏仁核[16]等，在對外界刺激-轉(zhuǎn)錄耦聯(lián)的信息傳遞過程中起著核內(nèi)第三信使的重要作用[17]，且各種急性應(yīng)激所致小鼠空間學(xué)習(xí)記憶功能的改變與FOS蛋白表達(dá)的上調(diào)有關(guān)，其表達(dá)在應(yīng)激后1 h明顯增加[18]。Moore等[19]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OS蛋白的持續(xù)表達(dá)是細(xì)胞終末分化的標(biāo)志及發(fā)生死亡的先兆[20]，同時還能抑制使細(xì)胞維持生存的一些基因的表達(dá)，維持著隨后的細(xì)胞死亡過程并持續(xù)很長時間[21]。

3 FOS蛋白與性行為

多年的研究發(fā)現(xiàn)大腦接收射精相關(guān)的信號，F(xiàn)OS蛋白的表達(dá)可作為與性行為的各個方面尤其是射精相關(guān)的神經(jīng)活動的標(biāo)志物[22-24]，并且FOS蛋白隨著性行為的增加而表達(dá)增高[25-27]，其表達(dá)可能與感覺輸入或行為輸出有關(guān)，或者兩者都有，人們普遍認(rèn)為射精誘導(dǎo)FOS蛋白表達(dá)與感覺信息的處理比觸發(fā)射精更相關(guān)[28]。

現(xiàn)在FOS蛋白已被用于雄性和雌性嚙齒動物大腦性行為的圖譜功能網(wǎng)絡(luò)的繪制[29，30]，并且使用FOS蛋白作為標(biāo)志物具有病變而不會影響細(xì)胞分辨率的優(yōu)勢[31-35]。由于分辨率大，交配時FOS蛋白的增加發(fā)生在內(nèi)側(cè)視前區(qū)、杏仁核、條紋終末核、中央被蓋區(qū)[36-39]、束旁丘腦核[26]、附屬嗅球、伏隔核、腹外側(cè)隔、條紋床核、內(nèi)側(cè)視前區(qū)、下丘腦室旁核、腹內(nèi)側(cè)核、杏仁核、杏仁海馬區(qū)、腹側(cè)被蓋區(qū)等。這些腦區(qū)域都是性行為調(diào)節(jié)下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的部分[40]。總之插入和交配誘導(dǎo)了FOS蛋白在雄鼠大腦區(qū)域中的表達(dá)。研究中還發(fā)現(xiàn)許多性刺激后FOS蛋白表達(dá)的區(qū)域是控制雌性性行為和繁殖功能不同方面的區(qū)域。在大鼠中，當(dāng)具有性經(jīng)驗的雄性接觸雌性但還沒有開始騎跨時在內(nèi)側(cè)視前區(qū)尾部內(nèi)有FOS蛋白的感應(yīng)現(xiàn)象[25]，在密閉的容器中為雄性提供動情或者不動情雌性弄臟的墊料時該區(qū)也有感應(yīng)[41]。相比之下，在大鼠、雄性倉鼠[33，42]、雄性沙鼠[32]和雪貂[34]中，隨著交配中的插入和射精可能減少了FOS蛋白陽性催產(chǎn)素神經(jīng)元在前側(cè)和內(nèi)側(cè)分泌性細(xì)胞分區(qū)中的數(shù)量[43]。研究還發(fā)現(xiàn)FOS蛋白離散集群只在特定的分區(qū)位置出現(xiàn)并且是在射精后而不是插入后就出現(xiàn)[26，32]。在大鼠中， 這些 FOS蛋白集群的神經(jīng)元通常出現(xiàn)在杏仁核外側(cè)區(qū)、條紋終末核喙部、束旁丘腦核內(nèi)側(cè)。表明射精后激活了特定的腦部亞分區(qū)，射精能誘導(dǎo)FOS蛋白在大腦特定區(qū)域有選擇性的表達(dá)[29]。

4 FOS蛋白的生物信息學(xué)分析

4.1 人類FOS蛋白

人類FOS蛋白（GenBank：CAA24756.1）的編碼基因定位于染色體的14q21-31，該基因有4個外顯子和3個內(nèi)含子，F(xiàn)OS蛋白為380個氨基酸的不穩(wěn)定核內(nèi)磷酸化蛋白[44]。FOS蛋白存在一個由88個完全相同的氨基酸順序組成的區(qū)域，這個區(qū)域包括一個能與DNA結(jié)合的基本區(qū)和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)。通過Expasy進(jìn)行一級結(jié)構(gòu)分析可知FOS蛋白的分子式為C1767H2774N480O586S18，相對分子質(zhì)量為40 695.40，理論等電點pI4.77，帶正電殘基（Arg+Lys）為33個，帶負(fù)電殘基（Asp+Glu）為51個。該蛋白的不穩(wěn)定系數(shù)為78.82，說明其不穩(wěn)定。脂肪系數(shù)為65.32，親水性系數(shù)為- 0.37，消光系數(shù)為21 930，哺乳動物的網(wǎng)織紅細(xì)胞體外的半衰期為30 h。結(jié)構(gòu)域預(yù)測發(fā)現(xiàn)其基本區(qū)域為亮氨酸拉鏈的BRLZ蛋白，屬于B-ZIP超家族。

利用SOPMA對FOS蛋白序列進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)預(yù)測，結(jié)果表明，F(xiàn)OS蛋白二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋（Alpha helix）占26.84%，β-折疊（Beta turn）占1.05%，延伸鏈（Extended strand）占8.16%，無規(guī)則卷曲（Random coil）占63.95%（圖1）。

用Swissmodel對其進(jìn)行了三級結(jié)構(gòu)預(yù)測和可視化分析（圖2）。該三級結(jié)構(gòu)模型中用于建立模型的氨基酸殘基范圍為138～200位，該模型以2wt7A（2.30A）蛋白為模板，序列同源性為100%，E-value為1.43e-28.

4.2 大鼠FOS蛋白

大鼠FOS蛋白（NCBI reference sequence：NP_071533.1），F(xiàn)OS蛋白的分子式為C1776H2791N4

83O592S17，肽鏈包含380aa，相對分子質(zhì)量為40 926.60，理論等電點pI4.81，帶正電殘基（Arg+Lys）為33個，帶負(fù)電殘基（Asp+Glu）為50個。該蛋白的不穩(wěn)定系數(shù)為76.60，說明其不穩(wěn)定。脂肪系數(shù)為65.29，親水性系數(shù)為- 0.43，消光系數(shù)為23 420，哺乳動物的網(wǎng)織紅細(xì)胞體外的半衰期為30 h。結(jié)構(gòu)域預(yù)測發(fā)現(xiàn)其基本區(qū)域為亮氨酸拉鏈的BRLZ蛋白，屬于B-ZIP超家族。

二級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果表明，F(xiàn)OS蛋白二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋（Alpha helix）占27.63%，β-折疊（Beta turn）占1.05%，延伸鏈（Extended strand）占8.68%，無規(guī)則卷曲（Random coil）占62.63%（圖3）。

用Swissmodel對FOS蛋白進(jìn)行了三級結(jié)構(gòu)預(yù)測（圖4）。該三級結(jié)構(gòu)模型中用于建立模型的氨基酸殘基范圍為138～200位，該模型以2wt7A（2.30A）蛋白為模板，序列同源性為100%，E-value為1.26e-28.

4.3 小鼠FOS蛋白

該蛋白PDB ID為2WT7，相對分子質(zhì)量為28 329.84，保守結(jié)構(gòu)域基本區(qū)域為亮氨酸拉鏈的BRLZ蛋白，屬于B-zip1超家族。2WT7有4條鏈。第一條鏈為63個殘基的多肽，二級結(jié)構(gòu)為96%的α-螺旋。第二條鏈為90個殘基的多肽，二級結(jié)構(gòu)為84%的α-螺旋，其余兩條鏈均為16個殘基。從PDB上下載其三級結(jié)構(gòu)（圖5）。

4.4 FOS蛋白的序列比對與系統(tǒng)進(jìn)化樹的建立

對大鼠FOS蛋白進(jìn)行Blastp比對，選擇同源性較高或研究較多的動物FOS蛋白序列進(jìn)行分析。結(jié)果表明，與小鼠和金倉鼠（Mesocricetus aurarus）同源性最高，為97%，其次為猩猩（Pongo abelii）、野駱駝（Camelus ferus）各為95%、人（Homo sapiens）為94%、黑猩猩（Pan troglodytes）為94%。

從NCBI的數(shù)據(jù)庫中挑選23個物種的FOS蛋白序列用MEGA5.0繪制進(jìn)化樹，結(jié)果顯示大鼠與小鼠直接聚為一類，親緣關(guān)系最近，這與序列Blastp的分析結(jié)果一致。因此通過以上對大鼠、人及小鼠的FOS蛋白進(jìn)行對比可以看出，三者的同源性較高，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似（圖6）。

5 討論

目前，關(guān)于FOS蛋白對細(xì)胞生命活動的研究取得了重要進(jìn)展，尤其在各種應(yīng)激反應(yīng)對FOS蛋白表達(dá)的影響及FOS蛋白表達(dá)與一些疾病的相關(guān)方面，如冀群升等[1]研究發(fā)現(xiàn)FOS蛋白與神經(jīng)元的可塑性有關(guān)，它可以通過參與神經(jīng)肽的調(diào)節(jié)影響細(xì)胞水平記憶的形成，方向義等[13]在研究中也發(fā)現(xiàn)受到各種應(yīng)激后在數(shù)分鐘內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域出現(xiàn)不同數(shù)量的FOS蛋白表達(dá)，且各種急性應(yīng)激所致小鼠空間學(xué)習(xí)記憶功能的改變與FOS蛋白表達(dá)的上調(diào)有關(guān)[18]。而在研究性行為中也發(fā)現(xiàn)交配時一些與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的區(qū)域中FOS蛋白也隨之增加，如室旁核[14，15]、下丘腦視上核、下丘腦、杏仁核[16]等，這提示FOS蛋白可能與性行為中的學(xué)習(xí)記憶有關(guān)。然而FOS蛋白在這些尤其在性行為這一神秘的過程中是如何發(fā)揮作用的，這些作用又與哪些基因和蛋白有關(guān)等問題還有待深入研究。

由于從人類腦部取樣困難，試驗往往選用大鼠腦部作為試驗材料，不僅因為大鼠基因組與人類基因組相似度達(dá)90%，且大鼠腦量較大，取材方便，生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)大鼠、人及小鼠的FOS蛋白的同源性較高，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似。尤其是大鼠和人類的FOS蛋白、相對分子質(zhì)量、等電點等均相差較小，立體結(jié)構(gòu)高度相似，因此研究大鼠FOS蛋白對研究人類FOS蛋白的各種性質(zhì)和功能有極大的參考意義，本次生物信息學(xué)分析也可為大鼠大腦作為人類FOS蛋白研究的替代材料提供證據(jù)。

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