紀偉霞,胡傳活,馬祺琦,何芝鳳,黃 芳,汪燕玲
(1.廣西大學動物科學技術學院,廣西南寧 530004;2.廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所,廣西南寧 530001)
在醫(yī)學臨床上,有不少人工體外表達的融合蛋白被應用于疾病的治療,起到了改善患者臨床癥狀的作用。這些融合蛋白中,F(xiàn)NK蛋白是一種人工構建的細胞保護蛋白,來源于大鼠Bcl-xL蛋白;PTD是自身具有跨膜活性的蛋白轉導結構域,能將與其通過化學交聯(lián)或基因工程連接的外源物質包括大分子、藥物等帶進細胞。將PTD與FNK結合獲得的PTD-FNK蛋白,其穿透細胞的能力很強,對各種異常刺激引起的凋亡與壞死細胞具有保護作用,對各種類型細胞受到的多種損害刺激具有良好的防御作用。這種組織細胞保護作用目前已經(jīng)在人的臨床治療上被廣泛應用,但關于 PTD-FNK 蛋白的作用機理尚不清楚。本試驗通過生物信息學技術并結合互作蛋白方法,研究 PTD-FNK 蛋白在細胞凋亡、精子發(fā)生過程中的作用,以期為進一步探究PTD-FNK蛋白的功能提供基礎依據(jù)。
PTD-FNK蛋白基因序列由廣西大學動物解剖實驗室重組構建并測序。
1.2.1 蛋白質的理化性質分析 利用Expasy中Protparam(https://web.expasy.org/protparam)分析PTD-FNK蛋白質的相對分子質量、理論等電點、不穩(wěn)定指數(shù)等理化性質。
1.2.2 蛋白親疏性分析 利用ProtScale(https://web.expasy.org/protscale/)在線工具Kyte & Doolittle進行分析。
1.2.3 蛋白二級結構預測 利用SOPMA(https://prabi.ibcp.fr/htm/site/web/login/SOPMA)進行預測,分析無規(guī)律卷曲、α-螺旋、β-轉角和延伸鏈的比例。
1.2.4 蛋白三級結構建模 利用SWISS-MODEL(http://www.swissmodel.expasy.org/)在線軟件進行分析。
1.2.5 蛋白亞細胞定位 利用WoLF PSORT(http://wolfpsort.hgc.jp/)在線軟件進行定位。
1.2.6 蛋白的跨膜區(qū)分析 利用TMHMM Server 2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM)在線軟件進行分析。
1.2.7 蛋白的信號肽分析 利用SignalP 5.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)分析。
1.2.8 蛋白翻譯后修飾位點 利用NetGlyc(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetGlyc/)在線軟件分析-糖基化位點;利用YingOYang(http://www.cbs.dtu.dk/services/YingOYang)在線軟件分析-糖基化位點;利用NetPhos 3.1 Server(http:www.cbs.dtu./dk/services/NetPhos/)在線軟件預測磷酸化位點(閾值都為0.5)。
1.2.9 蛋白抗原表位分析 利用Predicting Antigenic Peptides(http://imed.med.ucm.es/Tools/antigenic.p-l)預測分析抗原決定簇(閾值為0.5);利用IEDB(http://tools.im-muneepitope.org/bcell/)預測分析B細胞抗原表位(閾值為0.5)。
1.2.10 功能結構域分析 利用NCBI的保守域數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)進行預測。
1.2.11 蛋白的互作蛋白分析 為了研究PTD-FNK蛋白在豬睪丸支持細胞中的互作蛋白質,于2020年6—10月選取廣西省南寧市各豬場2周齡左右仔豬,無菌操作摘取其睪丸,用生理鹽水沖洗,低溫送至實驗室后,立即分離培養(yǎng)支持細胞;送往武漢金開瑞生物工程有限公司,利用HIS Pulldown技術拉取PTD-FNK蛋白未知的互作蛋白,得到的蛋白序列號利用UniProt數(shù)據(jù)庫分析排名靠前蛋白的結構、功能和序列。
利用在線軟件ProtParam分析了PTD-FNK蛋白氨基酸序列組成和理化性質。由表1可知,該蛋白質共含有295個氨基酸,蛋白質分子質量為 33.195 ku,理論等電點為6.63,為酸性蛋白質,分子式為CHNOS,包含20種氨基酸。其中,占比最高的是絲氨酸,占比為10.2%;最低的是半胱氨酸,占比為0.3%。帶負電荷數(shù)(天冬氨酸+谷氨酸)為35個,帶正電荷數(shù)(精氨酸+賴氨酸)32個。軟件分析結果顯示,PTD-FNK蛋白消光系數(shù)為47 440,蛋白質不穩(wěn)定指數(shù)為42.33(>40),為不穩(wěn)定蛋白,脂肪系數(shù)為64.81,預計蛋白在體外哺乳動物類網(wǎng)狀紅細胞中的半衰期為30 h,在酵母體內的半衰期>20 h,在大腸桿菌體內的半衰期>10 h。PTD-FNK蛋白親疏性分析結果顯示,親水性平均值(grand average of hydropathicity,簡稱GRAVY)是-0.589(<0),為親水性蛋白質。
表1 PTD-FNK蛋白的氨基酸組成
利用ProtScale在線預測PTD-FNK蛋白的親、疏水性,結果見圖1。疏水區(qū)最大值為第269位氨基酸,為2.533,親水區(qū)最小值為第43位氨基酸,值為-4.256,平均疏水性(GRAVY)值為-0.589,為親水性蛋白質,此結果與ProtParam預測結果相一致。
由圖2可知,PTD-FNK蛋白有116個氨基酸參與無規(guī)則卷曲,占比為39.32%,有132個氨基酸參與α-螺旋,占比44.75%,有28個氨基酸參與延伸鏈的構成,占比為9.49%,有19個氨基酸參與 β-轉角,占比為6.44%。
由圖3可知,PTD-FNK蛋白三維模型主要由無規(guī)卷曲和α-螺旋組成,QMEAN(qualitative model energy analysis)值為-1.27,與Bcl-2同源性為98.71%,與參考蛋白模板匹配性較高,肽段覆蓋性相似度較高。
PTD-FNK的亞細胞定位分數(shù)分別為細胞核21,線粒體5,細胞質膜4,過氫物酶體 2。定位分數(shù)顯示PTD-FNK定位在動物細胞細胞核中。
由圖4可知,PTD-FNK蛋白有1條跨膜螺旋區(qū),位于260~277位。
利用SignalP-5.0軟件實現(xiàn)的PTD-FNK蛋白信號肽分析方法,利用綜合剪切點分值的最大值來估計信號肽的正確剪切位置,并通過信號肽分值(值>0.5)來確定蛋白質是否為分泌蛋白質。由圖 5可知,第28位氨基酸值最大值為0.113,值第1~16位氨基酸的平均值為0.139(<0.5),說明PTD-FNK蛋白不具有分泌信號肽的特征,因此進行蛋白原核表達前不需要對該蛋白進行修飾。值與值均小于閾值0.5,預測該蛋白沒有信號肽結構。
由圖6可知,PTD-FNK蛋白有7個潛在的-糖基化位點,分別位于第3、4、11、119、153、165、211氨基酸。由圖7可知,PTD-FNK蛋白有3個潛在的N-糖基化修飾位點,分別位于第73位、80位、101位氨基酸。由圖8可知,PTD-FNK蛋白含有23個絲氨酸磷酸化修飾位點、2個酪氨酸磷酸化修飾位點、8個蘇氨酸磷酸化修飾位點,包含有PKC、PKA、PKG、UNSP、P38MAPK、RSK、ATM、CKI、CKII、CDC2、GSK3、DNAPK、INSR總共13類蛋白質激酶結合位點。
由圖9可知,利用Predicting Anti-genic Peptides軟件分析發(fā)現(xiàn),PTD-FNK蛋白有8個潛在的抗原決定簇;利用IEDB軟件分析B細胞抗原表位發(fā)現(xiàn),連續(xù)氨基酸數(shù)量超過10個的B細胞抗原表位有3個,分別是:5~55、61~131、232~259位氨基酸。
利用NCBI的數(shù)據(jù)庫進行功能結構域分析,結果顯示,PTD-FNK參與了細胞程序化死亡。由圖10可見,PTD-FNK在第48~280位氨基酸處含有保守結構域Bcl-2,該結構域屬于Bcl-2超家族,因此PTD-FNK蛋白通過Bcl-2保守結構域起到抑制細胞凋亡的作用。
通過HIS pull-down技術拉取PTD-FNK未知互作蛋白,由圖11可知,對照組識別到了25個蛋白,加入PTD-FNK蛋白的試驗組識別到了58個蛋白,其中2個組別共同檢測到了17個蛋白。排名靠前的有78 ku葡萄糖調節(jié)蛋白、波形蛋白、組蛋白、肌球蛋白、肌動蛋白、絨毛蛋白-1、角蛋白、微管蛋白β鏈等,見表2。
表2 PTD-FNK蛋白的互作蛋白信息
Bcl-xL屬于Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白成員之一,在細胞凋亡途徑中起著極大的作用。它是從禽類的DNA互補文庫中被發(fā)現(xiàn)的,具有降低細胞凋亡和壞死過程的功能。然而Bcl-xL一旦被磷酸化,將促進細胞凋亡活性,抑制其治療功效。因此,超級抗凋亡因子FNK是Asoh等通過定點突變大鼠Bcl-xL蛋白的3個氨基酸(22酪氨酸Y→苯丙氨酸 F、26谷氨酰胺Q→天冬酰胺N和165精氨酸R→賴氨酸K)構建。PTD是蛋白轉導結構域,它的特點是轉導速度極快、在轉運的過程中不需要消耗能量和具有廣譜性等。將PTD與FNK二者結合獲得的PTD-FNK蛋白,能快速轉入細胞?,F(xiàn)已證明,PTD-FNK蛋白可以提高冷凍豬、水牛精子的活性,可能是通過抑制內源性線粒體途徑介導的凋亡發(fā)揮對豬精子冷凍解凍的保護作用。大多試驗是關于PTD-FNK蛋白功能方面的研究,關于其作用機制的研究及PTD-FNK蛋白與其他蛋白之間的聯(lián)系鮮有研究,本試驗旨在探討PTD-FNK是否可能通過自身機理或與其他蛋白結合調控細胞凋亡、細胞損傷和應急過程。
預測結果顯示,PTD-FNK蛋白是一類化學性質不穩(wěn)定、酸性強的小分子結構親水性蛋白質。PTD-FNK蛋白的二級分子結構中無規(guī)則卷曲含量較高,因此易于研發(fā)抗體;此外,在無規(guī)則卷曲的蛋白質肽鏈中,形成了配體和受體結合的部位,其結構易受側鏈影響而發(fā)生改變,表明PTD-FNK可能存在著較多的抗原表位,針對疫苗問題相關有待進一步研究。PTD-FNK可能具有跨膜區(qū)域和多個翻譯后的修飾位點,推斷該蛋白質是具有不同修飾表型的跨膜蛋白。而PTD-FNK蛋白存在與激酶磷酸化相關的PKA、PKC、P38MAPK 等特異性位點,影響線粒體凋亡途徑釋放出CytC,激活Caspase級聯(lián)反應抑制細胞凋亡。
互作蛋白鑒定結果顯示,排名靠前的有波形蛋白、肌動蛋白、葡萄糖調節(jié)蛋白78、組蛋白、肌球蛋白、絨毛蛋白-1、角蛋白等。肌球蛋白介入細胞的吞噬、運動、受精和物質運輸?shù)壬磉^程;可以推測在睪丸支持細胞中,PTD-FNK蛋白可與該功能的蛋白結合,迅速進入細胞內,參與細胞運動、受精等過程。葡萄糖調節(jié)蛋白78(78-ku glucose-regulated protein,GRP 78)是熱休克蛋白70家族的成員之一,也被稱為免疫球蛋白重鏈結合蛋白,是內質網(wǎng)中重要的一種分子伴侶,主要定位和表達于內質網(wǎng)等細胞器,具有抑制細胞調亡的作用。大量表達的GRP78可在低糖、低氧、低Ca等刺激環(huán)境下起到維持內質網(wǎng)的穩(wěn)定進而保護細胞的作用,GRP78過表達使內質網(wǎng)未折疊蛋白疊加,導致氧糖失衡、鈣超載、氧化應激和低氧環(huán)境等,最終引起內質網(wǎng)應激??梢酝茢郟TD-FNK蛋白與GRP78結合通過調控內質網(wǎng)應激,減少睪丸支持細胞非正常凋亡。組蛋白在DNA損害過程有重要的調節(jié)作用。DNA損傷后組蛋白被釋放至細胞質,并轉位于線粒體,通過激活BAK蛋白,促進CytC釋放并啟動線粒體途徑的細胞凋亡,推測PTD-FNK蛋白可抑制線粒體釋放CytC等凋亡相關蛋白,抑制凋亡發(fā)生。絨毛蛋白-1是一種細胞骨架蛋白,參與肌動蛋白成核、肌動蛋白絲束組裝等過程,參與細胞侵襲和細胞凋亡等過程。研究表明,波形蛋白是睪丸支持細胞的骨架成分,在維持支持細胞的不對稱型形態(tài)、生精細胞的排列整齊、支持細胞和生精細胞間的信息溝通、精子成熟和釋放、血睪屏障的完整性等方面具有重要作用,主要參與脂多糖的細胞反應,任何影響波形蛋白表達、分布、結構、降解的因素都將影響支持細胞的結構和功能,進而干預精子的發(fā)生,證明PTD-FNK蛋白會保護新生睪丸的生精細胞脫落,減少少精子癥。
PTD-FNK蛋白通過PKA、PKC特異性蛋白激酶結合位點參與蛋白酪氨酸磷酸化,介導線粒體細胞凋亡途徑;PTD-FNK蛋白通過蛋白間的結合,調控內質網(wǎng)應激、線粒體凋亡途徑抑制細胞凋亡并減少少精子癥。本試驗為PTD-FNK蛋白在細胞凋亡過程、精子發(fā)生過程的作用機制提供了依據(jù)。