局部堿基對梯階參量對蛋白質(zhì)折疊速率的影響

程永霞，李瑞芳，趙瑞峰，宋鑫偉

（內(nèi)蒙古師范大學 物理與電子信息學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者，它們只有折疊成特有的空間結(jié)構(gòu)才具有生物活性，才能行使其特定的生物學功能。蛋白質(zhì)從變性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ǖ纳飳W天然構(gòu)象是一個涉及氫鍵、范德華力等各種非共價鍵相互作用的復(fù)雜動力學過程［1-2］。而蛋白質(zhì)異常的空間結(jié)構(gòu)有可能會使其生物活性降低、喪失，甚至會引起阿爾茨海默病、帕金森癥、心臟疾病和腦損傷等蛋白質(zhì)折疊疾病［3-6］。因此，研究蛋白質(zhì)的折疊過程具有重要意義。

蛋白質(zhì)折疊速率是度量蛋白質(zhì)折疊快慢的一個參數(shù)。前期關(guān)于蛋白質(zhì)折疊速率的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境、蛋白質(zhì)的各級結(jié)構(gòu)和氨基酸序列都對折疊速率有重要影響［7-9］。隨著蛋白質(zhì)共翻譯折疊理論的誕生，mRNA空間結(jié)構(gòu)也被認為是影響蛋白質(zhì)折疊速率的一個因素。項目小組之前的研究發(fā)現(xiàn)，mRNA 序列和二級結(jié)構(gòu)的一些參量對蛋白質(zhì)折疊速率有重要的影響［10-13］。RNA 是層級式折疊的，二級結(jié)構(gòu)在共軸螺旋堆積和三級接觸相互作用下形成緊湊的三維構(gòu)象，本研究認為RNA 三級結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)翻譯折疊過程中起著更重要的作用。從已有的RNA 三級結(jié)構(gòu)研究結(jié)果可知，RNA 和DNA 通常是由雙鏈螺旋，大溝和小溝，同軸堆疊等模塊構(gòu)成［14］。為從理論上尋找RNA 三級結(jié)構(gòu)中影響蛋白質(zhì)折疊速率的因素，利用相關(guān)的軟件3dRNA［15-18］和X3DNA［19-20］預(yù)測了RNA 的三級結(jié)構(gòu)，計算了所選蛋白質(zhì)mRNA 三級結(jié)構(gòu)的局部堿基對梯階參量，以此為基礎(chǔ)分析了6 種參量對蛋白質(zhì)折疊速率的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)集

整理現(xiàn)有相關(guān)文獻及蛋白質(zhì)折疊數(shù)據(jù)庫［21-22］，去掉冗余數(shù)據(jù)，得到具有實驗折疊速率的100 個蛋白質(zhì)作為研究樣本。該樣本按照二級結(jié)構(gòu)分類，包含22 個全α 類蛋白質(zhì)，39 個全β 類蛋白質(zhì)和39 個混合類(α-β)蛋白質(zhì)。

1.2 mRNA 三級結(jié)構(gòu)局部堿基對梯階參量

首先用RNAfold 軟件計算每個蛋白質(zhì)的mRNA 二級結(jié)構(gòu)，然后將每個蛋白質(zhì)的mRNA 序列和相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)輸入3dRNA 軟件，并選用任務(wù)類型中的優(yōu)化模式來預(yù)測mRNA 的三級結(jié)構(gòu)。結(jié)果中包含pdb 形式的位置坐標，最后將獲取的位置坐標輸入X3DNA 軟件，得到每個mRNA 三級結(jié)構(gòu)的局部堿基對梯階信息。

核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)存在于多種亞態(tài)中，DNA 傾向于形成B 型構(gòu)象，而RNA 傾向于形成A 型構(gòu)象。螺旋的整體構(gòu)象是由連續(xù)的局部幾何形狀決定的，而序列中堿基上下文關(guān)聯(lián)對局域結(jié)構(gòu)也有很重要的影響。一個堿基對相對于其相鄰堿基對的位置和方向是通過平移參量（shift、slide、rise）和旋轉(zhuǎn)參量（tilt、roll、twist）來確定的，這些參量從局部角度描述了三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象［23］。參量tilt 是相鄰兩堿基對長軸在y、z平面內(nèi)投影的夾角；參量roll 是相鄰兩堿基對短軸在x、z平面內(nèi)投影的夾角；參量twist 是相鄰兩堿基對長軸在x、y平面內(nèi)投影的夾角；參量shift，slide，rise 是一堿基對梯階中長軸中點的x，y，z增量［24］。統(tǒng)計每個蛋白質(zhì)相應(yīng)的mRNA 三級結(jié)構(gòu)中每一類堿基對梯階的上述6 種參量值，并按照下列公式計算出每個蛋白質(zhì)相應(yīng)的mRNA 中每類堿基對梯階的每種參量值的平均值。以此為基礎(chǔ)，分析6 種參量對蛋白質(zhì)折疊速率的影響。

表1 局部堿基對梯階類型取值表Tab.1 Values of local base-pair step

1.3 回歸分析

計算出蛋白質(zhì)相應(yīng)mRNA 三級結(jié)構(gòu)中各種局部堿基對梯階的短軸滑移量（shift）的平均值、長軸滑移量（slide）的平均值、z軸滑移量（rise）的平均值、平面短軸轉(zhuǎn)角（tilt）的平均值、平面長軸轉(zhuǎn)角（roll）的平均值和螺旋扭角（twist）的平均值［25-26］，然后作各參量平均值與蛋白質(zhì)折疊速率的回歸分析，并通過P值檢驗分析結(jié)果的可靠性。

2 結(jié)果分析

2.1 mRNA 三級結(jié)構(gòu)局部堿基對梯階參量對蛋白質(zhì)折疊速率的影響

所有蛋白質(zhì)的6 種局部堿基對梯階參量值與蛋白質(zhì)折疊速率的相關(guān)性結(jié)果見表2。由表2 可知，mRNA 三級結(jié)構(gòu)的6 種參量值與蛋白質(zhì)折疊速率均具有相關(guān)性。所有梯階的參量shift 均與蛋白質(zhì)折疊速率呈負相關(guān)，而不同梯階的參量slide、rise、tilt、roll 和twist 對蛋白質(zhì)折疊速率的影響趨勢不同。如蛋白質(zhì)折疊速率與梯階GC/GU、AA/CU、GG/AC 的參量slide、梯階CG/AG 的參量rise、梯階UG/UG 的參量tilt 以及梯階AU/CU的參量twist 均呈顯著正相關(guān)，而與梯階CU/AG 的參量rise 和梯階CC/CG、GG/AU 的參量twist 呈顯著負相關(guān)。

表2 樣本中全部蛋白質(zhì)折疊速率與局部堿基對梯階參量值的相關(guān)性Tab.2 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for all proteins in samples

2.2 局部堿基對梯階參量對不同二級結(jié)構(gòu)類蛋白質(zhì)折疊速率的影響

早期的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)按照二級結(jié)構(gòu)類分為全α 類蛋白質(zhì)，全β 類蛋白質(zhì)和混合類(α-β) 蛋白質(zhì)時，同一參量對三類蛋白質(zhì)折疊速率影響的大小和趨勢可能不同［10-12］。因此，本文詳細分析了局部堿基對梯階參量對三類蛋白質(zhì)折疊速率的影響，結(jié)果見表3-5。

表3 全α 類蛋白質(zhì)折疊速率與局部堿基對梯階參量值的相關(guān)性Tab.3 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for all-α proteins

表4 全β 類蛋白質(zhì)折疊速率與局部堿基對梯階參量值的相關(guān)性Tab.4 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for all-β proteins

對比分析表3-5 發(fā)現(xiàn)，三類蛋白質(zhì)的折疊速率與不同梯階的6 種參量值的相關(guān)性存在一定差異。如全α 類蛋白質(zhì)折疊速率與梯階CG/CG、CG/AG 的參量rise 呈顯著正相關(guān)，而與梯階AU/GU 的參量slide呈顯著負相關(guān)。全β 類蛋白質(zhì)折疊速率與梯階CC/GA、CU/UG 的參量roll 呈顯著正相關(guān)，而與梯階AG/GA、UA/UA 的參量slide 和梯階AG/UG 的參量roll 呈顯著負相關(guān)?；旌项?α-β)蛋白質(zhì)折疊速率與梯階AA/AA 的參量shift 和梯階GA/AA、AG/AU 的參量tilt 呈顯著正相關(guān)，而與梯階AG/CG 的參量shift、梯階CC/GG 的參量slide、梯階CC/GG 的參量rise 和梯階UA/CA 的參量twist 呈顯著負相關(guān)。

2.3 蛋白質(zhì)折疊速率隨mRNA 三級結(jié)構(gòu)局部堿基對梯階參量的變化關(guān)系圖

從上述各表可以看出，6 種梯階參量與蛋白質(zhì)折疊速率均有相關(guān)性，為對比不同梯階的參量對蛋白質(zhì)折疊速率影響的差別，作出蛋白質(zhì)折疊速率隨6 種參量的變化關(guān)系圖（圖1）。

由圖1（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，在全部蛋白質(zhì)中蛋白質(zhì)折疊速率隨梯階AU/AU 和AG/CG 的參量rise 平均值的增大而增大，而隨梯階AU/AU 的參量tilt 平均值的增大而減小。通過圖1 的（c）和（d）發(fā)現(xiàn)，在全α 類蛋白質(zhì)中蛋白質(zhì)折疊速率與梯階CG/CG 的參量shift 和梯階AA/AA 的參量rise 均呈正相關(guān)，與梯階CG/CG 的參量twist 和梯階AA/AA 的參量slide 均呈負相關(guān)。

3 討論

本文基于6 種局部堿基對梯階參量研究mRNA 三級結(jié)構(gòu)對蛋白質(zhì)折疊速率的影響。結(jié)果顯示梯階UC/GC 的參量shift 與全部蛋白質(zhì)折疊速率具有顯著負相關(guān)性，表明梯階UC/GC 的參量shift 值的增加會很大程度阻礙蛋白質(zhì)的折疊，而梯階AG/CG、GG/AA 和UU/AC 的參量shift 與全部蛋白質(zhì)折疊速率均具有負相關(guān)性（見表2），這意味著參量shift 對蛋白質(zhì)折疊過程的阻礙程度的大小受堿基對梯階特征的影響。對比表3-4 和表5 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于那些包含Watson-Crick 的相鄰堿基對梯階的參量rise 均促進蛋白質(zhì)的折疊，梯階CG/CG 的參量rise 與全α 類蛋白質(zhì)折疊速率具有正相關(guān)性，梯階AU/AU 的參量rise 與全β 類蛋白質(zhì)折疊速率具有正相關(guān)性，梯階AU/AU 的參量rise 與混合類蛋白質(zhì)折疊速率具有正相關(guān)性。另外對比圖1（a）和（b）發(fā)現(xiàn)在全部蛋白質(zhì)中，參量tilt 在梯階AU/AU 阻礙蛋白質(zhì)的折疊，而在梯階AG/CG 促進蛋白質(zhì)的折疊，表明包含不同堿基對的梯階的同一參量對同一類蛋白質(zhì)折疊速率的影響趨勢不同。相關(guān)研究表明有些堿基對之間容易形成N-H…O 的鏈內(nèi)氫鍵和N-H…N 的鏈間氫鍵，從而促進整體構(gòu)象的堆積［24］，這種堆積構(gòu)象影響到mRNA 的空間結(jié)構(gòu)，進而影響mRNA 沿核糖體的順利延伸，最終影響蛋白質(zhì)的折疊。因此可以解釋包含不同堿基對梯階的同一參量對同一類蛋白質(zhì)折疊速率的影響趨勢不同。

表5 混合類(α-β)蛋白質(zhì)折疊速率與局部堿基對梯階參量值的相關(guān)性Tab.5 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for（α-β）proteins

圖1 蛋白質(zhì)折疊速率隨局部堿基對梯階參量的變化關(guān)系圖Fig.1 Changes of the protein folding rates with parameters of local base-pair step

此外，mRNA 三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象決定于6 種局部堿基對梯階參量的取值。三種平移參量（shift、slide 和rise）的變化會影響同一平面上配對堿基之間距離的遠近，而平移參量的大小以及旋轉(zhuǎn)參量的大小又影響到mRNA 三級結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，從而影響核糖體在mRNA 上的移位速率，進而影響到相應(yīng)蛋白質(zhì)的折疊速率。局部堿基對梯階參量值與各類蛋白質(zhì)折疊速率均呈現(xiàn)出相關(guān)性，表明mRNA 三級結(jié)構(gòu)中局部堿基對梯階參量對蛋白質(zhì)的折疊進程有重要影響。