胰島素受體底物氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)魯棒性研究

苗孟君，顏洲，劉東旭，王善勤

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學院 信息工程學院，安徽 滁州 239000；2.滁州職業(yè)技術(shù)學院 管理學院，安徽 滁州 239000)

胰島素受體底物(IRS)是胰島素信號傳遞的重要介質(zhì), 其中IRS1 和IRS2 在胰島素信號轉(zhuǎn)導通路中的作用尤為重要[1]。Takatani[2]等人利用針對胰島素受體底物(IRS)蛋白的體內(nèi)(敲除)和體外(敲除)研究，發(fā)現(xiàn)在糖耐量試驗中，α細胞特異性IRS1基因敲除小鼠表現(xiàn)出葡萄糖不耐受和不適當?shù)囊雀哐撬匾种芠3]。相關(guān)研究結(jié)果表明IRS-1通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激/氧化應(yīng)激介導的細胞凋亡和激活A(yù)kt/FoxO1信號通路，在氧化低密度脂蛋白誘導的動脈粥樣硬化內(nèi)皮細胞模型中發(fā)揮保護作用。胰島素受體底物2(IRS2)是介導胰島素受體和其它受體酪氨酸激酶下游信號傳導的重要轉(zhuǎn)接器。IRS2依賴的信號轉(zhuǎn)導途徑對于協(xié)調(diào)代謝穩(wěn)態(tài)非常重要，IRS2的失調(diào)導致系統(tǒng)性胰島素信號缺陷。Manohar等人[4]通過研究發(fā)現(xiàn)IRS2水平受后期促進復合物/環(huán)體(APC/C)活性調(diào)節(jié)，是G1(DAN復制前期)中直接的APC/C靶點，與APC/C在降解細胞周期調(diào)節(jié)因子中的作用一致，IRS2空白細胞的定量蛋白質(zhì)組學分析顯示參與細胞周期進程的蛋白質(zhì)缺乏，表明IRS2除了作為一個重要的代謝調(diào)節(jié)器外，還是細胞周期控制系統(tǒng)的一個組成部分。

復雜網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點和邊組成，它的一個重要特征是穩(wěn)健性即魯棒性。復雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性表明，當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點或者邊遭到攻擊而失效時，網(wǎng)絡(luò)維持其相應(yīng)功能的能力[5]。在現(xiàn)實生活中，真實網(wǎng)絡(luò)(如公交網(wǎng)絡(luò)等)會經(jīng)常遇到突發(fā)事件導致其功能受到破壞，而為了使網(wǎng)絡(luò)在遭到破壞時仍能保持其功能，則需要分析網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，找到影響網(wǎng)絡(luò)魯棒性的關(guān)鍵因素，從而針對性地采取相應(yīng)措施[6]。趙山春[7]通過研究發(fā)現(xiàn)低度數(shù)和低介數(shù)加邊策略可以很好地提高網(wǎng)絡(luò)魯棒性。Sohouenou Philippe Y.R.等人[8]將網(wǎng)絡(luò)的隨機失效過程映射為一個逆滲流問題，并且基于連通性消失的閾值，評估網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。KhademiNavid等人[9]使用網(wǎng)絡(luò)掃描方法發(fā)現(xiàn)城際稀疏鐵路網(wǎng)絡(luò)中最脆弱的部分，定義許多標準來確定總成本，包括未滿足的需求和因中斷而產(chǎn)生的額外運輸成本，然后進行研究，發(fā)現(xiàn)脆弱性分析過程在多大程度上考慮了供需雙方的特點，可以為鐵路部門應(yīng)用系統(tǒng)安全措施提供指導。Wandelt Sebastian等人[10]建議通過利用復雜網(wǎng)絡(luò)中社區(qū)的存在來估計和提高交通系統(tǒng)的魯棒性。根據(jù)定義，社區(qū)內(nèi)部緊密相連，但與系統(tǒng)中的其它組件松散相連。因此，社區(qū)結(jié)構(gòu)和連接社區(qū)的誘導邊緣有助于協(xié)調(diào)一個更好的分析和保護我們的交通系統(tǒng)的框架。在12個真實世界的交通系統(tǒng)上的實驗證明了新的基于社區(qū)的框架的有效性和可擴展性。

Mei-Qin Zhuo等人[11]通過研究發(fā)現(xiàn)在黃顙魚肝細胞中，IRS2對胰島素刺激的敏感性高于IRS1，并且IRS2在調(diào)節(jié)胰島素對肝臟新陳代謝的作用中起著比較重要的作用。為了研究IRS1和IRS2在調(diào)節(jié)胰島素對肝臟新陳代謝的作用差異，本文選擇2Z8C(IRS1)和3BU5(IRS2)進行研究，首先比較2Z8C和3BU5的基因序列，發(fā)現(xiàn)兩者的基因序列相似度為99%。由于基因序列相似度較高，本文利用復雜網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建兩者的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)，研究兩者氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性差異，分析IRS2和IRS1在調(diào)節(jié)胰島素對肝臟的代謝中起的作用差異。

1 數(shù)據(jù)集

本文從RCSB PDB[12]數(shù)據(jù)庫中選擇IRS1的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)2Z8C[13]和IRS2的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)3BU5[14]作為研究對象，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建以氨基酸為節(jié)點，氨基酸-氨基酸相互作用為邊的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)，如圖1，表示為G=(V,E)，其中，G表示氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)，V表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集，E表示網(wǎng)絡(luò)中的邊集。2Z8C的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中，包括274個節(jié)點，635條邊；3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中包括283個節(jié)點，707條邊。

圖1 氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)例圖

2 方法

2.1 氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)魯棒性定義

定義魯棒性為當系統(tǒng)遭遇外界攻擊時，能正常運行的能力。本文定義氨基酸相互作用的魯棒性為：當網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸遭到攻擊失去作用后，氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)依舊可以維持正常功能的能力。

2.2 氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)攻擊方式

復雜網(wǎng)絡(luò)的攻擊方式分為蓄意攻擊和隨機攻擊。隨機攻擊指隨機選擇氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸，并將其刪除；蓄意攻擊指選擇網(wǎng)絡(luò)種指定的氨基酸，將其刪除[15]。在氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中，可以從不同角度分析氨基酸的重要程度。氨基酸的度表示網(wǎng)絡(luò)中與該氨基酸相連的邊的數(shù)目，通常認為，與該氨基酸相連的邊越多(即氨基酸的度越大)，表明該氨基酸越重要[16]。氨基酸的介數(shù)表示網(wǎng)絡(luò)中所有最短路徑中經(jīng)過該氨基酸的路徑數(shù)目占最短路徑總數(shù)的比例，氨基酸的介數(shù)越大，表明該氨基酸在整個網(wǎng)絡(luò)中的作用和影響力越大[17]。氨基酸的接近程度表示一個氨基酸到其它氨基酸的總路徑長度，總路徑長度越小表明該氨基酸到其它氨基酸的路徑越短，即該氨基酸距離其它氨基酸越近。

本文采取蓄意攻擊和隨機攻擊兩種方式研究氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。在蓄意攻擊方法中，使用度攻擊、介數(shù)攻擊、接近程度攻擊3種方式，攻擊氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失去作用。度攻擊表示根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中氨基酸的度的大小，依次刪除網(wǎng)絡(luò)中度高的氨基酸；介數(shù)攻擊是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中氨基酸的介數(shù)的大小，依次刪除網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸；接近程度攻擊則是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中氨基酸的接近程度，依次刪除網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸。氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中，氨基酸的度、介數(shù)、接近程度的計算公式如下所示，下列公式中，N表示網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸數(shù)量。

氨基酸的度：

(1)

式(1)中，xij表示網(wǎng)絡(luò)中氨基酸i和j之間邊的數(shù)目。

氨基酸的介數(shù)：

(2)

式(2)中，pmn指氨基酸m和n之間的最短路徑條數(shù)，gmn(i)為通過氨基酸i的最短路徑條數(shù)。

氨基酸的接近程度：

(3)

(4)

式(3)(4)中，di表示氨基酸i到其它氨基酸的平均距離，d(i,j)為氨基酸i和j之間的最短路徑。

2.3 氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)魯棒性評價

受到攻擊后的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)是否具有可以維持正常功能的能力是一個模糊的概念，本文采用網(wǎng)絡(luò)效率作為網(wǎng)絡(luò)魯棒性的評價指標。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點對間效率的平均值被稱作為網(wǎng)絡(luò)效率[19]，網(wǎng)絡(luò)效率越高，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性也高，網(wǎng)絡(luò)的魯棒性越高。網(wǎng)絡(luò)效率的公式如下：

(5)

其中，Pij是氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中氨基酸i和氨基酸j之間的最短路徑。

氨基酸失效比率[11]：

(6)

在式(6)中，f表示移除的氨基酸數(shù)量。

3 結(jié)果與討論

本文通過隨機攻擊、度攻擊、介數(shù)攻擊、接近程度攻擊四種方式，攻擊氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)，研究IRS1(2Z8C)和IRS2(3BU5)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，通過分析網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，研究兩者三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從系統(tǒng)角度分析IRS2和IRS1在調(diào)節(jié)胰島素對肝臟的代謝中起的作用差異。

圖2描述的是IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)在隨機攻擊下的魯棒性分析。圖中，虛線表示IRS2(3BU5)的網(wǎng)絡(luò)效率，實線表示IRS1(2Z8C)的網(wǎng)絡(luò)效率，橫坐標表示氨基酸失效比率，縱坐標表示網(wǎng)絡(luò)效率E值。從圖中可以看到，3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約100%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0；2Z8C的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約100%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0。在隨機攻擊下，3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率優(yōu)于2Z8C，表明IRS2的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性優(yōu)于IRS1，容錯性更高，更加穩(wěn)定。

圖2 IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)在隨機攻擊下的網(wǎng)絡(luò)效率 圖3 IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)在介數(shù)攻擊下的網(wǎng)絡(luò)效率

圖3描述的是IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)在介數(shù)攻擊下的魯棒性分析。圖中，虛線表示IRS2(3BU5)的網(wǎng)絡(luò)效率，實線表示IRS1(2Z8C)的網(wǎng)絡(luò)效率，橫坐標表示氨基酸失效比率，縱坐標表示網(wǎng)絡(luò)效率E值。從圖中可以看到，3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約50%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0；2Z8C的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約40%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0。在介數(shù)攻擊下，3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率優(yōu)于2Z8C，表明IRS2的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性優(yōu)于IRS1，容錯性更高，更加穩(wěn)定。

圖4描述的是IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)在接近程度攻擊下的魯棒性分析。圖中，虛線表示IRS2(3BU5)的網(wǎng)絡(luò)效率，實線表示IRS1(2Z8C)的網(wǎng)絡(luò)效率，橫坐標表示氨基酸失效比率，縱坐標表示網(wǎng)絡(luò)效率E值。從圖中可以看到，3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約80%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0；2Z8C的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約80%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0。在接近程度攻擊下，3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率優(yōu)于2Z8C，表明IRS2的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性優(yōu)于IRS1，容錯性更高，更加穩(wěn)定。

圖4 IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)在接近程度攻擊下的網(wǎng)絡(luò)效率 圖5 IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)在度攻擊下的網(wǎng)絡(luò)效率

圖5描述的是IRS2(3BU5)和IRS1(2Z8C)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)在度攻擊下的魯棒性分析。圖中，虛線表示IRS2(3BU5)的網(wǎng)絡(luò)效率，實線表示IRS1(2Z8C)的網(wǎng)絡(luò)效率，橫坐標表示氨基酸失效比率，縱坐標表示網(wǎng)絡(luò)效率E值。從圖中可以看到，3BU5和2Z8C的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中的氨基酸失效比率約5%時，網(wǎng)絡(luò)效率E值接近于0。在氨基酸失效比率0～5%之間，3BU5的網(wǎng)絡(luò)效率高于2Z8C。在度攻擊下，3BU5和2Z8C兩者的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率下降較快，3BU5在移除14個氨基酸之后，網(wǎng)絡(luò)效率下降為0，2Z8C在移除11個氨基酸之后，網(wǎng)絡(luò)效率下降為0。這表明，度高的氨基酸對于氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

3BU5的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中移除的氨基酸是A:300:_:ATP、A:1163:_:PTR、A:1162:_:PTR、A:301:_:MG、A:1122:_:TYR、A:1193:_:TRP、A:1195:_:PHE、A:1151:_:PHE、A:1192:_:MET、A:1200:_:TRP、A:1191:_:ASP、A:1271:_:PHE、A:1085:_:LYS、A:1116:_:ILE，具體情況如圖6所示。2Z8C的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)中移除的氨基酸是A:1:_:S91、A:1163:_:PTR、A:1162:_:PTR、A:1122:_:TYR、A:1044:_:PHE、A:1120:_:MET、A:1191:_:ASP、A:1193:_:TRP、A:1195:_:PHE、A:1200:_:TRP、A:1256:_:PHE，具體情況如圖7所示。在圖6和圖7中，紫色標注的氨基酸為度攻擊時移除的氨基酸，大部分位于α-螺旋結(jié)構(gòu)，其具有一定的剛性，對于一些蛋白質(zhì)的整體構(gòu)象起著支撐作用，當在殘基相互作用網(wǎng)絡(luò)中攻擊位于α-螺旋結(jié)構(gòu)的氨基酸時，容易導致整個結(jié)構(gòu)崩潰。

圖6 IRS2(3BU5)的三維結(jié)構(gòu)圖 圖7 IRS1(2Z8C)的三維結(jié)構(gòu)圖

4 總結(jié)

本文通過構(gòu)建IRS1(2Z8C)和IRS2(3BU5)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)，通過隨機攻擊和蓄意攻擊(度攻擊、介數(shù)攻擊、接近程度攻擊)研究兩者氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，發(fā)現(xiàn)在這幾種攻擊方式下，IRS2(3BU5)的氨基酸相互作用網(wǎng)絡(luò)的魯棒性均優(yōu)于IRS1(2Z8C)，表明，IRS2(3BU5)具有更好的穩(wěn)定性，容錯性更高，推測IRS2比IRS1在調(diào)節(jié)胰島素對肝臟新陳代謝種起著更重要的作用。