人絲氨酸蛋白酶抑制劑B3基因的生物信息學(xué)分析

李靖飛, 許威, 張順, 李峰

人絲氨酸蛋白酶抑制劑B3基因的生物信息學(xué)分析

李靖飛, 許威, 張順, 李峰

(湖南文理學(xué)院 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

人絲氨酸蛋白酶抑制劑B3 SERPINB3能抑制半胱氨酸蛋白酶, 具有抗細(xì)胞調(diào)亡、促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移作用, 且與許多腫瘤的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)。通過基因電子克隆(in silico cloning)獲得SERPINB3基因全長cDNA序列(1 779 bp), 編碼由390個氨基酸組成的蛋白質(zhì)。核酸序列分析表明: SERPINB3基因位于人體18號染色體長臂(18q21.33), 基因組跨越80 373 285 bp, 含有個16外顯子, 15個內(nèi)含子, 其cDNA序列上總共有45個酶切位點。SERPINB基因核酸序列同源性分析顯示, 人類與黑猩猩的親緣關(guān)系較近, 與白眉猴和獼猴的親緣關(guān)系是最遠(yuǎn)。SERPINB3蛋白序列同源性分析顯示, 人類和黑猩猩親緣關(guān)系較近, 和蒼疣猴親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。SERPINB3相互作用蛋白的生物信息學(xué)分析表明: 與SERPINB3相互作用的蛋白中, 以絲氨酸蛋白酶家族成員居多, 且大多在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖分化以及凋亡等方面起著關(guān)鍵作用。本論文通過對SERPINB3基因的生物信息學(xué)分析, 為SERPINB3的功能和分子進(jìn)化研究提供更多的生物信息學(xué)參考。

SERPINB3; 基因; 生物信息學(xué)分析

人絲氨酸蛋白酶抑制劑B3(SERPINB3)能抑制半胱氨酸蛋白酶如組織蛋白酶K、L、S和V, 具有抗細(xì)胞調(diào)亡、促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移作用, 與許多腫瘤的發(fā)生發(fā)展及侵襲遷移密切相關(guān)[1]。SERPINB4能抑制糜蛋白酶樣絲氨酸蛋白酶, 如組織蛋白酶G和肥大細(xì)胞糜酶, 通過p38MAPK信號通路抑制腫瘤細(xì)胞凋亡[2]。此外還有研究發(fā)現(xiàn)SERPINB3和SERPINB4均高表達(dá)于宮頸癌、肺癌、食管癌和頭頸部腫瘤等鱗狀細(xì)胞癌[3]。SERPINB3和Serpin B亞家族的其他成員有2種作用方式, 一種是在細(xì)胞內(nèi)通過自殺式底物機制抑制絲氨酸蛋白酶而發(fā)揮作用; 另外一種則是分泌到細(xì)胞外發(fā)揮作用[1]。本論文通過對SERPINB3基因的生物信息學(xué)分析, 為SERPINB3的功能和分子進(jìn)化研究提供更多的生物信息學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 SERPINB3基因的核酸序列分析

1.1.1 SERPINB3基因核酸序列的獲取

在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/網(wǎng)站中輸入SERPINB3的GenBank登錄NM_006919, 得到人SERPINB3基因的mRNA序列, 對該序列閱讀框架進(jìn)行分析。若未獲得基因的全長cDNA序列, 則應(yīng)用BLAST 檢索非冗余數(shù)據(jù)庫或者EST數(shù)據(jù)庫, 進(jìn)行核酸序列拼接, 調(diào)用Human genomics+transcript數(shù)據(jù)庫進(jìn)行核酸序列校對, 以獲得其全長cDNA序列。

1.1.2 SERPINB3基因內(nèi)含子和外顯子范圍的界定分析和基因染色體的電子定位分析

利用UCSC基因組數(shù)據(jù)庫(http://genome.ucsc.edu/)進(jìn)行基因的內(nèi)含子外顯子分析。通過在線軟件https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/gdv進(jìn)行基因染色體的電子定位。

1.1.3 SERPINB3基因上游的CpG島分析和cDNA序列的限制性酶切位點分析

通過http://www.ebi.ac.uk/Tools/emboss/cpgplot/index.html在線軟件對該基因的CpG島進(jìn)行分析。將獲得的SERPINB3基因的cDNA序列輸入到酶切位點在線分析軟件(NEB cutter)或者調(diào)用DNAMAN軟件, 獲得該基因的酶切位點分析結(jié)果。

1.1.4 SERPINB3基因核酸序列的同源性分析

用BLAST選出與SERPINB3基因具有較高同源性基因的6個序列(人、大猩猩、黑猩猩、金絲猴、獼猴、白眉猴), 利用DNAMAN進(jìn)行同源性分析。打開DNAMAN, 依次點擊Sequence→Alignment→ Multiple Sequence Alignment進(jìn)行多序列比對, 再輸出同源樹、遺傳樹狀圖等。

1.2 SERPINB3基因的蛋白質(zhì)序列分析

1.2.1 SERPINB3蛋白質(zhì)序列的獲得和一級結(jié)構(gòu)預(yù)測

將通過核酸序列拼接和校對后的SERPINB3的cDNA序列, 輸入http://au.expasy.org/tools /#translate對話框中, 根據(jù)6種不同的閱讀方式我們得到了6種不同的翻譯結(jié)果, 選擇最合適的序列, 獲得SERPINB3蛋白質(zhì)序列。利用在線分析軟件http://web.expasy.org/cgi-bin/protparam/protparam, 預(yù)測分析蛋白質(zhì)相對分子量、理論pI值、氨基酸構(gòu)成和原子組成性等重要基本信息。

1.2.2 SERPINB3蛋白質(zhì)二級和三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是指多條肽鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤旋折疊形成的有規(guī)律的構(gòu)型。訪問網(wǎng)址http://npsa-pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa _automat.pl?page=npsa_gor4.html, 將SERPINB3蛋白的氨基酸序列輸入空白框, 選擇運算條件, 運行程序, 獲得SERPINB3蛋白的二級結(jié)構(gòu)信息。訪問SWISS-MODEL服務(wù)器https://swissmodel.expasy.org/interactive建立同源模型來進(jìn)行蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測,將氨基酸序列輸入空白框, 選擇運算條件, 運行程序, 獲得獲得SERPINB3蛋白的三級結(jié)構(gòu)信息。

1.2.3 SERPINB3蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)、疏水性和卷曲螺旋預(yù)測

Tmpred是利用跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)段的數(shù)量、位置以及側(cè)翼信息, 通過加權(quán)打分來進(jìn)行預(yù)測。登陸http://www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html, 將氨基酸序列輸入對話框, 選擇所需要的運算條件后運行程序，分析跨膜結(jié)構(gòu)。訪問服務(wù)器http://www.expasy.org/tools/protscale.html/，分析蛋白質(zhì)的疏水性。訪問COILS服務(wù)器http://www.ch.embnet.org/software/COILS_form.html，將氨基酸序列輸入對話框, 運行程序, 選擇所需要的運算條件運行程序進(jìn)行蛋白質(zhì)卷曲螺旋的分析與預(yù)測。

1.2.4 SERPINB3蛋白質(zhì)的信號肽預(yù)測和亞細(xì)胞定位

TargetP服務(wù)器是一個預(yù)測真核蛋白亞細(xì)胞定位的軟件, 主要對葉綠體轉(zhuǎn)運肽, 線粒體轉(zhuǎn)運肽和分泌通路信號肽的N端預(yù)測, 登陸http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/對該蛋白質(zhì)進(jìn)行亞細(xì)胞定位。

1.2.5 利用SMART進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與功能位點的預(yù)測

打開SMART蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域預(yù)測工具h(yuǎn)ttp://smart.embl-heidelberg.de/ , 選擇常規(guī)模式(NORMAL), 蛋白質(zhì)序列分析(Sequence Analysis)處輸入SERPINB3蛋白質(zhì)序列, 勾選PFAM domains(結(jié)構(gòu)域家族數(shù)據(jù)庫)后運行“Sequence SMART”得到SERPINB3蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域(domains)和基序(motifs)的預(yù)測結(jié)果。

1.2.6 利用DNAMAN進(jìn)行SERPINB3基因蛋白質(zhì)序列的同源性分析

登錄http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/Blast.cgi, 將氨基酸序列按指定格式輸入對話框, 選擇所需要的運算條件并運行程序選取不同物種的序列選中后點擊Download中的FASTA格式下載, 并保存為TXT格式。利用DNAMAN進(jìn)行同源性分析, 打開DNAMAN, 依次點擊Sequence→Alignment→ Multiple Sequence Alignment進(jìn)行多序列比對, 輸出同源樹、遺傳樹狀圖。

1.3 SERPINB3相互作用蛋白的生物信息學(xué)分析

1.3.1 利用STRING檢索SERPINB3相互作用蛋白的實驗與預(yù)測數(shù)據(jù)

進(jìn)入STRING數(shù)據(jù)庫https://string-db.org/, 選擇默認(rèn)的“Protein by name”搜索模式, 輸入蛋白質(zhì)名稱(SERPINB3)和物種名稱(Homo sapiens)后進(jìn)行搜索以得到SERPINB3蛋白質(zhì)相互作用信息, 通過設(shè)置欄的調(diào)整可分別對實驗數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

1.3.2 SERPINB3相互作用蛋白的基因GO分析

運用DAVID在線工具進(jìn)行SERPINB3相互作用蛋白的基因GO分析時, 輸入文件為一個Gene List(基因列表), 即一群基因。如果輸入文件(Gene List)的基因個數(shù)較少, 那么喪失了統(tǒng)計學(xué)檢測效力, 在小的樣本集下, DAVID只能被用來做探索性篩查。本文通過STRING數(shù)據(jù)庫篩選了所有評分(score)大于等于0.4的SERPINB3互作蛋白(共165個), 將這些互作蛋白的名稱生成一個Gene List 作為輸入文件, 再利用DAVID在線工具對這些互作蛋白進(jìn)行基因GO分析, 下載分析結(jié)果利用Microsoft Excel工作表處理并繪制富集分析結(jié)果。

1.3.3 SERPINB3蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的分析

利用STRING數(shù)據(jù)庫構(gòu)建SERPINB3蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò), 進(jìn)入STRING數(shù)據(jù)庫https://string-db. org/, 選擇默認(rèn)的“Protein by name”搜索模式, 輸入蛋白質(zhì)名稱(SERPINB3)和物種名稱(Homo sapiens)后進(jìn)行搜索以得到SERPINB3蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖。所得到的默認(rèn)的SERPINB3蛋白互作網(wǎng)絡(luò)是通過置信度(Confidence score)最高的10種SERPINB3互作蛋白構(gòu)建的, 置信度(Confidence score)是根據(jù)證據(jù)來源, 即實驗數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)、文本挖掘、數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入等信息通過權(quán)重記分系統(tǒng)計算所得的。STRING提供了BioGRID和IntAct等互作蛋白數(shù)據(jù)庫的信息, 并有相關(guān)的PubMed文獻(xiàn)鏈接, 利用這些文獻(xiàn)資料分別對SERPINB3的這10個相互作用蛋白進(jìn)行簡要分析[4–5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 SERPINB3核酸序列的生物信息學(xué)分析

調(diào)用在線分析軟件https://web.expasy.org/translate/對該基因cDNA序列進(jìn)行開放閱讀框架分析, 發(fā)現(xiàn)在cDNA序列的起始密碼子前面, 同一閱讀框架內(nèi)未見終止密碼子, 說明該基因的cDNA序列不完整。應(yīng)用BLAST 檢索非冗余數(shù)據(jù)庫或者EST數(shù)據(jù)庫, 以NM_006919為種子序列, 進(jìn)行核酸序列拼接(Homo sapiens)。經(jīng)過幾次的拼接, 并通過應(yīng)用BLAST 調(diào)Human genomics+transcrip數(shù)據(jù)庫進(jìn)行核酸序列校對, 最終得到了一段1 779 bp完整的cDNA序列。此過程又稱基因的電子克隆(in silico cloning)。SERPINB3基因編碼的蛋白質(zhì)全長390 aa, 基因的cDNA的5’端具有Kozak(-3A/+4A)序列, 3’端具有加尾信號(attaaa)。使用在線軟件http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/gdv/進(jìn)行SERPINB3基因的染色體電子定位分析, 顯示SERPINB3基因定位于人體18號染色體長臂上(18q21.33)。利用UCSC基因組數(shù)據(jù)庫進(jìn)行SERPINB3基因內(nèi)含子和外顯子范圍的界定分析, 發(fā)現(xiàn)SERPINB3基因跨越80 373 285 bp, 含有16個外顯子, 15個內(nèi)含子, 內(nèi)含子是以gt開頭, ag結(jié)尾, 符合gt-ag法則(表1)。

表1 SERPINB3 基因內(nèi)含子和外顯子范圍的界定

注: 大寫與小寫字母分別代表外顯子與內(nèi)含子序列; 粗體代表保守的二核苷酸剪切位點。

利用在線工具h(yuǎn)ttp://www.ebi.ac.uk/Tools/emboss/cpgplot/index.html進(jìn)行SERPINB3基因CpG島分析, 雖觀察值/預(yù)測值比例(Obs/Exp,Y值)大于0.6、GC含量大于50%且長度大于200 bp, 但并沒有達(dá)到所期望的閾值, 因此SERPINB3不存在CPG島。

限制性酶切位點分析通過用NEB cutter和DNAMAN的分析結(jié)果表明, SERPINB3基因的cDNA序列包含45種限制性酶切位點, 并得出了位點名稱、序列、長度、出現(xiàn)頻率和酶切位點位置。這些信息為設(shè)計引物, 基因克隆鑒定和亞克隆提供了重要依據(jù)。

利用BLAST找出與SERPINB3有較高同源性的6種生物的基因序列(人類、大猩猩、金絲猴、獼猴、白眉猴、黑猩猩), 再利用DANMAN進(jìn)行多序列比對和同源性分析, 建立同源樹、系統(tǒng)發(fā)生樹。多序列比對發(fā)現(xiàn)6種生物基因的匹配度達(dá)92.67%; 對6種不同的生物進(jìn)行同源性分析, 可得出這6個物種之間的親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近, 依次建立蛋白質(zhì)序列同源性系統(tǒng)發(fā)育樹, 結(jié)果表明人類與黑猩猩的親緣關(guān)系較近, 白眉猴和獼猴的親緣關(guān)系是最遠(yuǎn)(圖1, 圖2)。

圖1 核酸序列同源性分析的Homology tree

圖2 核酸序列同源性分析的Phylogenetic tree

2.2 SERPINB3蛋白質(zhì)序列的生物信息學(xué)分析

使用ExPASy的ProtParam工具進(jìn)行分析, 結(jié)果顯示, SERPINB3由390個氨基酸組成, 分子質(zhì)量為44 564.60, 理論pI為6.35, 原子總數(shù)為6 252, 分子式為C2003H310N524O603S12, 且氨基酸序列的N端是 M(Met); 蛋白質(zhì)不穩(wěn)定系數(shù)(Instability index)為29.55(＜40), 可以推測該蛋白質(zhì)是不穩(wěn)定蛋白, 脂肪族指數(shù)(Aliphatic index)是76.26; 該蛋白的總平均親水性(Grand average of hydropathicity )為-0.461。

使用GOR服務(wù)器分析SERPINB3的二級結(jié)構(gòu)(C表示無規(guī)則卷曲, H表示α-螺旋, E表示的是延伸鏈), 發(fā)現(xiàn)SERPINB3的二級結(jié)構(gòu)由43.08%α-螺旋, 18.46%延伸鏈和38.46%的無規(guī)則卷曲組成, 無β-轉(zhuǎn)角。其中含有較多的α-螺旋與無規(guī)則卷曲。

利用SWISS-MODEL同源建模進(jìn)行三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測, 第2～390位氨基酸殘基參與建模, 模板為2zv6.2.A, 兩者之間的一致性可達(dá)到100%。預(yù)測結(jié)果表明, 在SERPINB3的三級結(jié)構(gòu)中無規(guī)卷曲、α-螺旋分布較多, 這與二級結(jié)構(gòu)中預(yù)測的結(jié)構(gòu)元件分布大致相同(圖3)。

圖3 SERPINB3蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果及結(jié)構(gòu)示意圖

使用Tmpred預(yù)測蛋白質(zhì)的跨膜區(qū)段和取向, TMHMM服務(wù)器預(yù)測蛋白跨膜螺旋。結(jié)果表明, SERPINB3蛋白序列的TMHs預(yù)期值為12.568, 該蛋白質(zhì)存在跨膜螺旋區(qū)域。

應(yīng)用COILS服務(wù)器預(yù)測serpinB3蛋白卷曲螺旋結(jié)構(gòu), 大部分含有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)具有非常重要的生物學(xué)功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在250～270之間的COILS值超過0.5, 該蛋白質(zhì)具有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用SMART進(jìn)行結(jié)構(gòu)域預(yù)測, 結(jié)果顯示, SERPINB3蛋白的第6～390位之間是一個高度保守的結(jié)構(gòu)功能域—SERPIN, 即Serpin蛋白家族成員所共有的結(jié)構(gòu)域(決定Serpin蛋白質(zhì)家族成員類似保守功能的區(qū)域), 該結(jié)構(gòu)域包含一個反應(yīng)位點環(huán)(RCL), 不同的RCL序列決定了Serpin家族蛋白質(zhì)不同的功能; 第332～352是Low-complexity region(低復(fù)雜度區(qū)域, LCR), 即SERPINB3序列中某一特定氨基酸或少量不同氨基酸(丙氨酸A、頡氨酸V、谷氨酸E)富集的區(qū)域。

使用BLASTp分析SERPINB3蛋白序列的同源性, 再使用DNAMAN軟件建立同源樹。對人、黑猩猩、蘇門答臘猩猩、金絲猴和蒼疣猴的同源性匹配分析顯示, 這5種生物的氨基酸序列的匹配率達(dá)87.29%; 對5種不同的生物進(jìn)行同源性分析, 可得出這5個物種之間的親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近, 由圖4可知人類與黑猩猩的親緣關(guān)系較近, 而人類與蒼疣猴的親緣關(guān)系較遠(yuǎn); 通過對4種動物的蛋白質(zhì)同源性分析, 建立蛋白質(zhì)序列同源性系統(tǒng)發(fā)育樹可以得出, 人類和黑猩猩親緣關(guān)系較近, 和蒼疣猴親緣關(guān)系較遠(yuǎn), 人和黑猩猩屬于同一類, 金絲猴和蒼疣猴屬于同一類, 蘇門答臘猩猩單獨一類, 但5種物種最終還是同歸于同一大類, 這說明5個物種都是具有共同的祖先(圖4)。

圖4 SERPINB3蛋白序列同源性分析的Homology tree

2.3 SERPINB3相互作用蛋白質(zhì)的生物信息學(xué)分析

2.3.1 SERPINB3相互作用蛋白的實驗數(shù)據(jù)

通過STRING數(shù)據(jù)庫檢索, 設(shè)置數(shù)據(jù)信息來源為Experi- ments可分別在閱讀欄、說明欄查看BioGRID、IntAct等數(shù)據(jù)庫中記載的關(guān)于SERPINB3互作蛋白的實驗證據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)資料; 以同樣方法調(diào)整設(shè)置, 可查看SERPINB3互作蛋白的預(yù)測數(shù)據(jù)。是通過STRING數(shù)據(jù)庫“Setting”欄調(diào)整設(shè)置后, 篩選出的置信度較高的20種SERPINB3相互作用蛋白, 分別是SERPINB4、C11orf54、 PKD2L2、 FCRL5、GPR18、SH3GLB1、SUSD3、CTSS、CTSL、CTSK、EIF2B1、TPI1、MAPK8、UCP2、C16orf70、KIR3DL1、RASSF7、ASCC1、CBLB和WDR37。

利用Viewers欄的查看工具, 可查看預(yù)測的20種互作蛋白與SERPINB3的預(yù)測數(shù)據(jù), 以下分別挑選了Gene cooccurence(基因共發(fā)生)和Gene coexpression(基因共表達(dá))兩項預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

Gene cooccurence預(yù)測數(shù)據(jù)顯示, SERPINB3與SERPINB4保守序列比例較高, 這表明它們在蛋白質(zhì)序列上高度一致, 可能具有功能上的相似, 或者存在于同一信號或代謝通路中。

Gene coexpression三角矩陣記錄了各基因間的共表達(dá)評分, 該共表達(dá)評分是基于RNA表達(dá)模式和ProteomeHD(蛋白質(zhì)共調(diào)控分析工具)提供的蛋白質(zhì)共調(diào)控信息計算所得。色彩強度代表共表達(dá)評分的高低, 也代表了兩種蛋白質(zhì)具有相關(guān)的功能的置信水平(the level of confidence)。即顏色越深, 兩種蛋白質(zhì)共表達(dá)評分越高, 越有可能具有功能上的相關(guān)性。左邊的三角矩陣圖中可以看出人SERPINB3的互作蛋白中, SERPINB4對應(yīng)的顏色最深, 其下依次是S100A7和C3, 代表在人體中SERPINB3與SERPINB4、C3蛋白可能具有功能上的相關(guān)性。結(jié)果顯示, 在其它物種中SERPINB3與SERPINB4、TTR、LYZ、ARG1、NPC2存在共表達(dá)。

2.3.2 SERPINB3相互作用蛋白的基因GO分析

為保證統(tǒng)計學(xué)檢測效力, 我們利用STRING篩選了165個評分較高(≥0.4)的SERPINB3互作蛋白, 將這些互作蛋白的名稱生成一個Gene List作為輸入文件, 再用DAVID進(jìn)行基因GO分析, 分析結(jié)果經(jīng)Excel的篩選與處理后, 制作可視化圖表。

Biological Process、Cellular Component、Molecular Function富集分析結(jié)果(表2、表3、表4), 結(jié)果表明, SERPINB3的互作蛋白:

表2 SERPINB3相互作用蛋白的Biological Process（BP）分析結(jié)果

(1) 主要參與的生物學(xué)過程有免疫反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)水解、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡過程的負(fù)調(diào)控等;

(2) 主要定位于胞外體、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞外間隙、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)等處;

(3) 主要行使的分子功能有蛋白質(zhì)結(jié)合作用、絲氨酸型肽鏈內(nèi)切酶活性、細(xì)胞活素活性以及酶結(jié)合作用等。

表3 SERPINB3相互作用蛋白的Cellular Component（CC）分析結(jié)果

表4 SERPINB3相互作用蛋白的Molecular Function（MF）分析結(jié)果

2.3.3 SERPINB3相互作用蛋白網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析

利用STRING數(shù)據(jù)庫構(gòu)建SERPINB3蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò), 所得到的默認(rèn)的SERPINB3蛋白互作網(wǎng)絡(luò)是通過置信度(Confidence score)最高的10種SERPINB3互作蛋白構(gòu)建的(圖5)。STRING提供了BioGRID和IntAct等互作蛋白數(shù)據(jù)庫的信息, 并有相關(guān)的PubMed文獻(xiàn)鏈接, 利用這些文獻(xiàn)資料分別對SERPINB3的這10個相互作用蛋白進(jìn)行簡要分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn), SERPINB3的互作蛋白中, 絲氨酸蛋白酶家族成員居多, 且大多在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖分化以及凋亡等方面起著關(guān)鍵作用。

圖5 SERPINB3蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)

3 討論

早期國內(nèi)外針對SERPINB3的研究多為對其本身功能的探究, 關(guān)于SERPINB3生物信息學(xué)分析的資料較少，本論文通過對SERPINB3基因的生物信息學(xué)分析, 為SERPINB3的功能和分子進(jìn)化研究提供更多的生物信息學(xué)參考。我們通過基因的電子克隆得到全長1 779 bp的SERPINB3的cDNA 序列。通過DNAMAN分析出該基因包含45種酶可識別的堿基序列, 這些信息為設(shè)計引物、基因克隆鑒定和亞克隆提供了重要依據(jù)。SERPINB3核酸序列的同源性分析顯示人與黑猩猩和大猩猩的親緣關(guān)系較近, 與獼猴和白眉猴的親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。SERPINB3蛋白序列同源性分析顯示, 人類和黑猩猩親緣關(guān)系較近, 和蒼疣猴親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。核酸序列同源性分析結(jié)果與蛋白質(zhì)序列同源性分析結(jié)果一致。

此外，本文還預(yù)測了SERPINB3的互作蛋白, 以這些互作蛋白為研究對象進(jìn)行了基因GO富集分析,篩選了部分置信度較高的互作蛋白建立SERPINB3相互作用網(wǎng)絡(luò), 最后針對這些互作蛋白的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行簡要分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SERPINB3的互作蛋白大多具有蛋白質(zhì)結(jié)合作用、絲氨酸型肽鏈內(nèi)切酶活性、細(xì)胞活素活性以及酶結(jié)合作用等分子功能, 大多都參與了免疫反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)水解、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡過程的負(fù)調(diào)控等生物學(xué)過程。SERPINB3互作蛋白網(wǎng)絡(luò)的分析發(fā)現(xiàn), SERPINB3的互作蛋白中, 絲氨酸蛋白酶家族成員居多, 且大多在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖分化以及凋亡等方面起著關(guān)鍵作用。SERPINB3作為一種人絲氨酸蛋白酶抑制劑[6–7], 與這些絲氨酸蛋白的相互作用, 恰恰體現(xiàn)出了SERPINB3的某些重要生物學(xué)意義。

[1] 劉燕華. Serpin B家族在消化系統(tǒng)腫瘤中的研究進(jìn)展[J]. 臨床薈萃雜志, 2017, 32(7): 633–636.

[2] Silverman GA, Whisstock JC, Askew DJ, etal. Human clade B Serpins (ov-Serpins) belong to acohort of evolutionarily dispersed intracellular proteinase inhibitor clades that protect cells from promiscuous proteolysis [J]. Cell Mol Life Sci, 2004, 61(3): 301–325.

[3] Sun Yu, Namratha Sheshadri, Zong Weixing. SERPINB3 and B4: from biochemistry to biology [J]. Semin Cell Dev Biol. 2017, 62: 170–177.

[4] 陳銘. 生物信息學(xué)[M]. 3版. 北京: 科學(xué)出版社, 2018.

[5] 吳祖建, 沈建國. 生物信息學(xué)分析實踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[6] 樊靜. 絲氨酸蛋白酶抑制劑B亞家族[J]. 生命的化學(xué)雜志, 2003, 23(4): 275–276.

[7] SERPINB3 (serpin peptidase inhibitor, clade B (ovalbumin), member 3) [J]. Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol, 2015; 19(3): 202–209.

Bioinformatics analysis of SERPINB3 gene

Li Jingfei, Xu Wei, Zhang Shun, Li Feng

(Biology and Environmental Science College, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

SERPINB3 can inhibit cysteine protease, has anti-apoptosis, promote cell proliferation and migration, and is closely related to the occurrence and development of many tumors. The full-length cDNA sequence (1 779 bp) of the SERPINB3 gene was obtained by in silico cloning, which encodes a protein composed of 390 amino acids. Nucleic acid sequence analysis showed that the SERPINB3 gene is located on the long arm of human chromosome 18 (18q21.33), the genome spans 80 373 285 bp, contains 16 exons, 15 introns, and a total of 45 restriction sites on the cDNA sequence point. The homology analysis showed that humans are closely related to chimpanzees, and are the farthest to humans and white-browed monkeys and macaques. The sequence homology analysis of SERPINB3 protein showed that humans are closely related to chimpanzees, and farther related to colobus monkeys. The bioinformatics analysis of SERPINB3 interacting proteins showed that among the proteins that interact with SERPINB3, members of the serine protease family are the majority, and most of them play a key role in regulating inflammation, cell proliferation, differentiation, and apoptosis. This thesis provides more bioinformatics references for the study of the function and molecular evolution of SERPINB3 through the bioinformatics analysis of the SERPINB3 gene.

SERPINB3; gene; bioinformatics analysis

Q 785

A

1672–6146(2021)02–0031–07

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.02.007

李峰, youquanli@126.com。

2020–6–10

湖南文理學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目(校辦通[2017]19號)。

(責(zé)任編校: 郭冬生)