铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白1的生物信息学分析.pdf

第 卷第 期 年 月江 苏 大 学 学 报(医 学 版)().铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白 的生物信息学分析关蕴良(攀枝花学院.基础医学院.脑科学研究中心四川 攀枝花)摘要 目的:通过生物信息学方法对铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白()的基因结构和特性进行解析 方法:从 数据库获取人 基因 序列利用数据挖掘软件对其一般特性、结构识别、特性分析和组织表达 个方面进行生物信息学分析 结果:人 基因定位于.基因总长 密码子偏性较强重复序列占基因总长.上游 区域存在 个启动子(评分.)、个转录因子结合位点、多聚腺苷酸尾信号在 位点未预测到 岛亚细胞定位在线粒体的可能性最大分子功能预测其具有 簇结合等活性人 相对表达水平最高为肾上腺()/各组织癌症特异性程度都较低 结论:的线粒体亚细胞定位、具有 簇活性以及涉及的信号通路等基因特性从生物算法角度证实其可作为铜死亡关键调控基因关键词 铜死亡铁氧化还原蛋白 生物信息学细胞程序性死亡肿瘤中图分类号 文献标志码 文章编号 ():./.引用格式关蕴良.铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白 的生物信息学分析.江苏大学学报(医学版)():.基金项目国家自然科学基金资助项目()四川省科技计划国际合作资助项目()四川省高校重点实验室开放基金资助项目()作者简介关蕴良()女讲师博士主要从事神经生物学研究:.(.):().:.:.(.).()/.:.年 月 等提出了一种新的细胞程序性死亡形式 铜死亡即铜与三羧酸循环的脂酰化成分结合促进脂酰化蛋白聚集和 簇蛋白丢失引发蛋白质毒性应激最终导致细胞死亡 该研究发现敲除铁氧化还原蛋白()可直接影响铜死亡的发生故认为 是铜离子载体诱导细胞死亡的关键介质 是内含不同类型 簇活性中心结构的小分子铁硫蛋白广泛存在于多种生物体内最早在巴氏梭菌中分离得到对氧和温度敏感常作为电子 传 递 载 体 参 与 生 物 体 不 同 代 谢 过 程 作为 家族的亚型已证实其与肺腺癌、肝细胞癌和透明细胞肾细胞癌等多种肿瘤发生密切相关 但是 在肿瘤中具体的作用机制以及不同肿瘤中作用方式是否存一致尚不清楚 因此本研究拟选择人 基因借助生物算法基于核酸序列预测其结构特征和功能特性 资料与方法.数据获取人 基因 序列获取来自 数据库(:/./)以“人”()作物种限定检索得到.分析方法采用表 的数据挖掘资源分别对人 基因的一般特性、结构识别、特性分析和组织表达 个方面进行生物信息学分析表 分析人 基因所用的生物信息学资源信息特性名称网址染色体定位:/./.序列分析:/./密码子偏性:/./重复序列:/./启动子:/./.:/./转录因子及结合位点:/./.?.尾:/./.?岛:/./限制性酶切位点.:/./基因表达亚细胞定位:/./:/./基因共表达:/./.信号通路:/./药物商业化产品:/./突变年龄:/./正常组织表达:/./基因相关疾病:/./单细胞类型特异性:/.癌症:/./:欧洲分子生物学开放软件套件:伯克利果蝇基因组计划:开放阅读框:多聚腺苷酸:基因本体:分子进化遗传学分析:单核苷酸多态性:不同年龄的系谱估计:基因型组织表达:人类蛋白组图谱:癌症基因组图谱 结果.常规分析.基因特征及染色体定位人 基因 登录号为.定位于 号染色体长臂第 区第 条带第 亚带(.)上(图 红色竖线标记处)基因总长 转录产物.包含 个外显子编码蛋白质产物 第 期关蕴良.铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白 的生物信息学分析是.组分分析 分析显示人 基因分 子 质 量 为 .(单 链 状 态)和.(双链状态)含量为.含量为.各碱基具体含量:有 个()、有 个()、有 个()、有 个(.)图 人 基因位置带型图.密码子偏性 推算人 基因有效密码子数为.进一步分析密码子使用频率情况:第 位 含量平均值分别为.、.、.相对平均.重复序列 预测人 基因总重复序列长 占序列全长.以散在重复序列为主 其中长末端重复序列 (.)短散布元件 (.)长散布元件 (.)元件 (.)未定义序列几近为.结构识别.启动子 利用神经网络算法预测人 基因启动子区域存在 个启动子(评分.)表 完整呈现了每一个启动子的具体起始位置、碱基序列和评分值.预测人 基因启动子区域存在包括正反链在内的 个 区(种编码方式)因长度越靠前预测成功率越高故仅罗列了长度前 位 的链位置、起止位点和序列长度 见表 表 人 基因启动子区域启动子详细信息起始位置终止位置评分/分碱基序列.表 人 基因启动子区域部分 信息详解标签链位置起始位点终止位点长度/注:正义链 反义链.转录因子及结合位点将 默认值设为 可得到与人 基因启动子区域表达存在正向或负向调控的 个转录因子及靶基因结合信息(图)以转录因子 为例预测 之间的 序列是其与人 启动子区域转录结合的最佳位点.尾 预测人 基因启动子区域 尾信号在 位点处权重为.图 人 基因启动子区域转录因子及结合位点信息.岛 分析人 基因 岛情况时设定参数为 含量 序列各位置()含量观察值/期望值(/).序列长度 江苏大学学报(医学版)第 卷由图 可见人 基因没有预测出 岛.限制性酶切位点.预测人 基因启动子区域有 种限制性酶可切割位点同时包括酶切温度、次数和位置等每一个酶的详细信息(图).特性分析.基因表达亚细胞定位对人 基因亚细胞定位描述结果见图 绿色深浅程度的色阶说明位居第 的、最有可能的超微结构是线粒体:全序列/比值图:序列各碱基位置()图:岛结果图图 人 基因 岛预测情况:该酶切位点受到 甲基化的影响:该酶切位点切割效率受其他甲基化的影响图 人 基因启动子区域限制性酶切位点预测结果注:图中数字 代表可信度数字越大颜色越深说明亚细胞定位的组织可信度越高图 人 基因亚细胞定位预测图.对人 基因 分析 个生物学方面的预测结果见表 细胞组分分析结果显示 基因产物在执行功能时所处的细胞结构位置在线粒体和线粒体基质的可能性最大此结果与亚细胞定位预测结果一致 分子功能分析结果显示 基因产物从分子水平而言具有铁离子结合活性、电子转移活性和 簇结合活性 生物学过程分析结果显示 通过分子功能集合能够完成包括氧化还原酶活性的正调节、电子传递链和胆固醇代谢过程在内的八类生物活动第 期关蕴良.铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白 的生物信息学分析表 人 基因 分析结果类别编号说明细胞组分:线粒体基质:线粒体分子功能:铁离子结合:电子转移活性:簇结合生物学过程:氧化还原酶活性的正调节:含 的电子传递链:对毛喉素的细胞反应:对 的细胞反应:胆固醇代谢过程:类固醇生物合成过程:电子传递链:激素生物合成过程.基因共表达 预测与人 基因存在共表达关系排名前三的基因分别是琥珀酸脱氢酶复合物 亚单位()、根蛋白()和转膜蛋白()基于医学主题词的疾病秩相关分析:在不考虑肿瘤的情况下吸烟的相关性最高()在考虑肿瘤的情况下乳腺癌的相关性最高()对于疾病本体论进行基因组分析:与人 基因相关的 种疾病中丙酮酸脱氢酶复合物缺乏症位居第一(精确检验.)见图 图 人 基因共表达基因分析结果.信号通路 预测人 基因涉及的信号通路有 条分别是生物氧化、细胞色素、伴有 性反转的先天性 缺陷导致的肾上腺功能不全、新陈代谢疾病、从还原型辅酶到铁氧还蛋白的电子传递、内源性甾醇、生物氧化酶的代谢障碍、脂类和脂蛋白的代谢、类固醇激素的代谢、线粒体铁硫簇的生物发生、第一阶段的化合物功能化和孕烯醇酮的生物合成.相关药物商业化产品 中经临床试验验证与 基因相关的药物是米托坦这是一种肾上腺皮质抑制剂用于治疗肾上腺皮质肿瘤和库欣综合征 是米托坦药物作用靶点基因.突变年龄 联合突变率和重组率评估 基因 位染色体变异的估计年龄为 代(突变年龄 年为 代)其中图 任一彩色圆点都含有突变位点识别号码、突变位置和突变年龄等信息 尽管参考基因组版本为 但同基因仍有很强的分析意义图 基因 突变年龄评估结果.表达分析.正常组织 对 个不同组织样本 项目对 种组织样本进行 测序正常人体组织中 表达水平见图 结果显示 主要在免疫系统、神经系统和肌肉组织等 类组织中表达其中以基因型组织表达()数值排名前三位的分别是肾上腺()/、肝脏()/和肾脏()/.基因相关疾病 显示有 种与 相关的疾病:脑腱黄瘤病、黄瘤症、维生素 依赖性佝偻病、阿尔茨海默病、皮质酮甲基氧化酶型缺乏症、伴有 性反转的先天性部分或完全肾上腺功能不全、白内障、主观认知下降、鼻腔腺癌和类脂先天性肾上腺增生 江苏大学学报(医学版)第 卷:每百万次阅读每千个外显子碱基的片段数图中每一列是一种组织一列中存在两个彩色条形图表示两个来源的数据皆有图 正常人组织中 水平预测结果.单细胞类型特异性 预测 单细胞类型特异性其中表达数量最多的是滋养层细胞合体滋养细胞(.)、内分泌细胞卵泡膜细胞(.)、特化上皮细胞近端小管细胞(.)见图.肿瘤 数据 分析结果显示 属低癌特异性其中肝癌表达量最高()黑色素瘤最低()头颈癌、胰腺癌和子宫内膜癌等表达比较集中肾癌、尿路上皮癌和肺癌的表达异常值较多(图):每千个碱基的转录每百万映射读取的转录本:标准化转录本图 单细胞类型特异性预测结果:每千个碱基的转录每百万映射读取的片段图 分析 在肿瘤组织中表达第 期关蕴良.铜死亡关键调控基因铁氧化还原蛋白 的生物信息学分析 讨论本研究结果显示 相关铜死亡衍生疾病预防和治疗的精准靶点以及遗传学分析都可着力于 此外人 基因全序列 含量(.)明显低于(.)不利于高度重组区域的 修复后者存在 碱基对偏差且 间有 个氢键其打开能量需要多于 个氢键的 碱基 由此表明人 基因 密度较低熔解温度较低热和碱对空间结构影响大密码子的使用偏性与基因表达有关一般而言高表达基因密码使用偏性较强有效密码子数()值较小()人 基因 为.说明其密码子使用偏性弱基因表达相对较低 人 基因重复序列占全长.这与人类基因组中重复序列 占比相近 散在重复序列多为转座序列对基因多样性的形成作用较大基因启动子发生突变可影响基因表达且该突变常见于恶性肿瘤故分析该区域核酸序列对于了解基因调控尤为重要 本研究分析结果显示人 基因上游 启动子区域高分预测出 个启动子、个、个转录因子及结合位点和 种限制性内切酶可切割位点但未预测到 岛由此说明人 基因 甲基化在启动子区域的可能性不大 尽管细胞溶质、内质网和细胞核是 基因亚细胞的定位区域但在线粒体的可信度远高于前三者由此说明铜死亡过程可影响线粒体的特定酶及与线粒体呼吸有关 分析的第一个子项目 细胞组分细胞的每个部分和细胞外环境预测都是在线粒体及线粒体基质这与亚细胞定位预测结果相呼应 分子功能预测结果显示人 基因分子水平的活性包括与铁离子结合、具有电子转移活性及与铁硫簇蛋白结合这些正是目前铜死亡机制中对 作用分析的结果 最后生物学过程是预测一个或多个分子功能有序组合而产生的系列事件 电子传递链是氧化还原反应的一种在真核系统中存在于线粒体内膜 一般认为共表达网络中相互连接紧密的基因其功能相关 故通过设定阈值在共表达分析中利用已知基因功能挖掘未知基因功能是重要的分析方法 与人 存在共表达关系最强的 个基因:编码呼吸链复合物的成员之一负责琥珀酸氧化其突变与遗传性副神经节瘤等形成有关 属于细胞骨架蛋白的一种在连接肌动蛋白和细胞质膜方面起重要作用 参与多种生理过程如构成细胞质膜的离子通道、活化信号转导通路和介导细胞趋化等 目前研究发现 与软骨分化有关 进一步研究发现人 基因与乳腺癌的相关性最高 反应组学预测人 基因涉及几条信号通路其中铁氧还蛋白的电子传递、生物氧化酶的代谢障碍和线粒体铁硫簇的生物发生等与铜死亡机制相关与之前的 分析结果相一致 药物基因组学的发展得益于生物信息学在药物研发过程的前期预测 目前已证实 是治疗肾上腺皮质肿瘤的药物米托坦作用的靶点基因生理情况下 在肾上腺、肝脏和肾脏组织中表达水平较高 分析结果显示肝癌、肾癌组织中 相对表达水平较高但仍低于正常组织综上所述本研究通过生物信息学方法分析了人 基因的核酸结构预测了其潜在的生物学功能其可作为铜死亡关键调控基因参考文献 .():.():.:.:.:.:.():.(下转第 页)江苏大学学报(医学版)第 卷 .():.():.:.():.():.王超 高雨婷 刘子瑶 等.通过靶向谷氨酸受体相互作用蛋白 影响乳腺癌细胞的增殖和迁移.江苏大学学报(医学版)():.():.:.:.():.:.():.()():.():.():./.():.收稿日期 编辑 何承志(上接第 页).():.:.():.:.():.():.:.():.:.:.():.():.:.():./.():.():.收稿日期 编辑 刘星星 江苏大学学报(医学版)第 卷