泛素化位點單核苷酸多樣性對靶蛋白的影響綜述,分子生物學論文泛素因標記被26S蛋白酶體降解的蛋白質(zhì)而著名，其在真核生物中是普遍存在，具有很高的保守性的一種蛋白質(zhì)。泛素化修飾即一個或多個泛素分子在一系列酶的作用下與底物蛋白質(zhì)分子共價結(jié)合的翻譯后修飾經(jīng)過。如今發(fā)現(xiàn)，泛素的作用已不僅僅介于介入蛋白質(zhì)降解的這個作用，構(gòu)成泛素一蛋白酶體系統(tǒng)，其還介入了多種重要的細胞調(diào)控經(jīng)過。近年來，隨著越來越多泛素化修飾相關(guān)的蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生，對于泛素化修飾位點的研究也越來越多，主要是圍繞泛素化修飾蛋白數(shù)據(jù)庫的建立、泛素化修飾網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析以及泛素化修飾位點的預(yù)測。泛素化系統(tǒng)異?？赡軤可婕膊〉陌l(fā)生和發(fā)展。研究顯示，泛素化途徑的更改牽涉幾種疾病如癌癥和神經(jīng)退行性紊亂的發(fā)病機理。本文就泛素化位點單核普酸多態(tài)性對靶蛋白的影響的研究進行綜述，進而從基因水平來瞻望由于單核昔酸多態(tài)性而引起的與泛素化經(jīng)過有關(guān)聯(lián)的疾病的治療。2概述在真核生物中，泛素〔ub〕為一種由76個氨基酸組成的高度保守的多膚，因其廣泛分布于從酵母到人類各類細胞而得名U1.其傳統(tǒng)的作用為其C端的Gly殘基與將被26S蛋白酶體降解的靶蛋白切s殘基共價結(jié)合，由Ub激活酶〔E1〕，Ub結(jié)合酶〔E2〕和Ub連接酶〔E3〕級聯(lián)催化而完成，該蛋白質(zhì)降解途徑具有依靠ATP、高效、高度選擇性的特點.另外其還具有很多非泛素化降解功能，包括DNA損傷修復、信號轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、胞吞作用和蛋白激酶活化等當前泛素化修飾的研究成為熱門，主要具體表現(xiàn)出為：〔1〕泛素化修飾底物蛋白數(shù)據(jù)的收錄。隨著世界范圍內(nèi)泛素化修飾相關(guān)的研究報道越來越多，泛素一蛋白酶體系統(tǒng)相關(guān)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)出，對這些數(shù)據(jù)進行合理組織、儲存、呈現(xiàn)以及更新就顯得很有必要，這也為我們后面的研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持，例如UbiProthUbiquitome等:〔2〕泛素化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析。泛素化修飾網(wǎng)絡(luò)可被描繪敘述為介入泛素化及其后續(xù)降解經(jīng)過的包括泛素、類泛素蛋白質(zhì)，會發(fā)生泛素化修飾底物蛋白，關(guān)鍵酶以及蛋白酶體構(gòu)成的系統(tǒng)。例如Venancioetal.構(gòu)建的綜合性的泛素化修飾網(wǎng)絡(luò):〔3〕泛素化修飾位點的預(yù)測。鑒于傳統(tǒng)的得到泛素化位點的方式方法是在實驗的基礎(chǔ)上，這種成本較高而且時間較長，鑒定出來的位點有限，因而國內(nèi)外的很多學者采用生物信息學方式方法來研究以便獲得更多未知靶蛋白的泛素化位點，并且都獲得了一定的成果，例如ChunWeietal.開發(fā)出來的UbiPred;〔4〕泛素化修飾motif的研究。作為一種翻譯后修飾的方式，對其修飾motif的尋找是一個非常有意義的方向。在Gygietal.的研究中,證實泛素化修飾位點處并不存在motif特征，但是其附近的氨基酸表示出呈現(xiàn)出一定的趨勢，即泛素化修飾位點處傾向于呈現(xiàn)局部的凈負電荷。固然如今還沒有非常理想的結(jié)果，但是該方面的嘗試還會繼續(xù)下去。3基于單核普酸多態(tài)性的泛素化位點的研究單核昔酸多態(tài)性，即在基因組水平上由單個核昔酸的變異而引起的DNA序列多態(tài)性變化，詳細是指在DNA序列中的單個堿基的變異。其分為2種，華而不實研究的最多的是會引起翻譯后的氨基酸序列發(fā)生改變的錯義突變〔Non-singlenucleotidepolymorphisms,nsSNPs〕。錯義突變是造成人類遺傳疾病的主要原因。在泛素化修飾經(jīng)過中，泛素化修飾位點即靶蛋白上特定的Lys殘基顯得尤為重要，對其的了解能夠擴展人們對泛素的認識，有助于對多種細胞經(jīng)過的深切進入理解，也有助于挑選相關(guān)疾病的新靶點和新藥。近來，越來越多的研究表示清楚nsSNPs能夠間接或者直接的毀壞最初的泛素化位點或者是開創(chuàng)建立新的泛素化位點。例如，人類ERCC2〔LTniprotAC:P18074〕假如發(fā)生K751Q的單核昔酸突變〔dbSNPID:rs13181〕，將會造成該處的泛素化位點的丟失，影響DNA修復的功能，造成癌癥的發(fā)生;人類SOX9〔LJniprotAC:P48436〕假如發(fā)生K173E的單核昔酸突變〔dbSNPID:rs104894647〕，該泛素化位點位于DNA連接域HMG,其的缺失將導致軀干發(fā)育異?！睠D〕.因而，關(guān)于造成蛋白質(zhì)泛素化修飾發(fā)生改變的nsSNPs的廣泛研究有利于進一步理解遺傳多態(tài)性是怎樣介入調(diào)節(jié)生物途徑和經(jīng)過，對疾病易感性的影響，個體之間表型的差異以及對藥物的反響。胞內(nèi)很多蛋白質(zhì)的功能也是通過動態(tài)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾來調(diào)節(jié)的。蛋白質(zhì)的翻譯后修飾發(fā)生異常將直接影響蛋白質(zhì)功能的執(zhí)行，進而引發(fā)相應(yīng)的疾病產(chǎn)生。己有研究將蛋白質(zhì)的翻譯后修飾位點與單核昔酸多態(tài)性聯(lián)絡(luò)起來從基因水平上來闡述疾病的產(chǎn)生，進而為因nsSNPs而引起的有關(guān)聯(lián)的疾病的治療提供一個新的視角。例如己有研究將翻譯后修飾位點〔例如磷酸化位點與糖基化位點〕與nsSNPs聯(lián)絡(luò)起來通過生物信息學方式方法來進行研究分析。因而，通過生物信息學的方式方法來研究更多泛素化位點的nsSNPs具有重要現(xiàn)實意義。當前很多國內(nèi)外的學者在預(yù)測與疾病相關(guān)的nsSNPs方面己經(jīng)獲得了一定的成果。例如PrateekKumaretal.使用基于序列同源的算法來對氨基酸替換進行分類,其預(yù)測與疾病相關(guān)的nsSNP:的準確率到達了69%;Zhi-QiangYeetal.在序列的基礎(chǔ)上參加的構(gòu)造方面的特征來進行預(yù)測,其準確率到達了82.6,還有的學者參加了功能方面或者蛋白網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方面的因素.在本研究中，我們將借鑒他們的方式方法來研究造成蛋白質(zhì)泛素化修飾發(fā)生改變的nsSNPs。3.1氨基酸殘基頻率和保守性通過前面學者的研究，證明突變前和突變后氨基酸殘基在同源蛋白序列中可觀察到的頻率差異是一個很有力的特征.差值越大，表示清楚該nsSNPs更有可能是有害的或者與疾病相關(guān)的。同時，假如一個特定蛋白中處于一個特定位置的氨基酸殘基是保守的，表示清楚該氨基酸殘基可能位于該蛋白的一個很重要的位置或者是功能域中，那么它的單核昔酸突變可能會造成蛋白質(zhì)構(gòu)造和功能的顯著改變。序列中某個位置的保守性分數(shù)被定義為在多重序列比對中這個位置的氨基酸殘基頻率分布的含量。研究顯示在多重比對中假如一個nsSNPs以很低的頻率處于一個高度保守的位置，那么很有可能是與疾病相關(guān)的?！?】P,代表殘基類型i的頻率。保守性分數(shù)范圍從。到4.32,值越小，這個位置越保守。3.2氨基酸殘基的理化性質(zhì)氨基酸的理化特性對于研究蛋白質(zhì)的構(gòu)造和功能具有重要的作用。AAIndexlzz〕就是研究人員通過大量的實驗和理論研究確定的一些氨基酸的理化特性構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，其包含氨基酸殘基或者是氨基酸對的各種物化和生化特性。Atchley等人在AAIndex的基礎(chǔ)上產(chǎn)生T一個關(guān)于氨基酸殘基變異高維數(shù)字模型。氨基酸殘基的這些高維屬性被總結(jié)并轉(zhuǎn)換成5個多維模型，來反映氨基酸殘基的極性、二級構(gòu)造、分子體積、密碼子多樣性和靜電電荷。3.3蛋白質(zhì)穩(wěn)定性研究表示清楚，與疾病相關(guān)的nsSNPs例子中80%以上會造成蛋白質(zhì)構(gòu)造的不穩(wěn)定。蛋白質(zhì)穩(wěn)定性依靠于折疊狀態(tài)因和展開狀態(tài)〔仍時自由能的差值。【2-3】G為突變前面蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的變化，j為突變前的氨基酸殘基，k為突變后的氨基酸殘基。一個nsSNPs假如改變了一個蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，那么很可能會造成對其功能的影響。相對的，假如一個會發(fā)生單核普酸突變的靶蛋白變得不穩(wěn)定，那么其突變后構(gòu)造的構(gòu)造模型比起原始的構(gòu)造模型的能量值將增加.因而在研究中靶蛋白的構(gòu)造穩(wěn)定性的前后改變差異可以以作為一個研究的方面。3.4溶劑可及性蛋白質(zhì)溶劑可及性是描繪敘述蛋白質(zhì)疏水性的重要手段，蛋白質(zhì)分子中殘基的疏水性是影響蛋白質(zhì)折疊的重要物理作用，并對蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象以及構(gòu)象的柔性有重要的影響。因而在研究中溶劑可及性也是不可缺少的方面。一般將溶劑可及性分為三類的研究中顯示，當靶蛋白的構(gòu)造可知時，參加nsSNPs處的構(gòu)造特征〔二級構(gòu)造和溶劑可及性〕，與疾病相關(guān)的nsSNPs和中性的nsSNPs的在三態(tài)中的分布將出現(xiàn)很大的差異不同，能夠很好的區(qū)分出來。在ZhiQiangetal.的研究中還分別計算了所有原子、整個側(cè)鏈、主鏈、非極性側(cè)鏈和極性側(cè)鏈的相對溶劑可及性。而在NathanO.Stitzieleta1.的研究中，使用了一個新的特征，即幾何位置特征。他們將每個nsSNPs在蛋白質(zhì)構(gòu)造中的位置分為三類，如此圖1:處于口袋或者一個空隙中〔類型P〕；處于凸區(qū)域或淺的凹陷區(qū)域〔類型S〕；在內(nèi)部完全被埋沒〔類型D.研究中顯示與疾病相關(guān)的nsSNPs的幾何位置更傾向于類型P和S,并且在類型I中分布最少。【圖1】這可能是由于埋藏在蛋白質(zhì)中的氨基酸殘基不容易被分子辨別，并且這些位置上的突變并不直接影響蛋白質(zhì)的連接，而處于外表的氨基酸殘基更容易介入蛋白質(zhì)的功育。3.5二級構(gòu)造蛋白質(zhì)在構(gòu)成立體構(gòu)造時，其多膚鏈部分首先折疊成a一型螺旋〔a-helix〕和p一型〔P-sheet〕等蛋白二級構(gòu)造，并由此進一步可折疊成球形或其他形狀。二級構(gòu)造對整個蛋白折疊的穩(wěn)定性起著非常重要的作用，進而進一步影響其功能。有文獻表示清楚，泛素化連接酶易出如今無規(guī)則卷曲或是螺旋構(gòu)造區(qū)域，而非泛素化位點沒有明顯的二級構(gòu)造傾向性。在SunyaevSetal.的研究中發(fā)現(xiàn)，與疾病相關(guān)nsSNPs更傾向于分布在溶劑可及性5%或者日折疊。3.6序列派生信息JingHuetal.在其研究中指出，假如蛋白質(zhì)的構(gòu)造文件得不到，那么利用構(gòu)造特征的分析就是無效的，因而他們只采用了序列派生信息來進行分析。在其研究中一開場采用了686個序列派生信息，然后使用貪心算法對其進行挑選，最后得到了10個特征，分別為：包含nsSNPs的靶蛋白能否屬于HLA家族、突變氨基酸殘基頻率和野生氨基酸殘基頻率的歸一化差值、該nsSNPs位點與其近期的功能性位點之間的序列距離等。在研究中，還有很多學者參加了Swiss-prot數(shù)據(jù)庫中標注的功能性信息。當一個nsSNPs的位置是處于一個功能性域或是功能性位點周圍，那么nsSNPs就很有可能是與疾病有關(guān)聯(lián)。泛素化位點作為翻譯后修飾位點，其作用尤為重要，泛素化修飾還與磷酸化修飾等其他修飾有關(guān)聯(lián)。3.7蛋白質(zhì)細胞內(nèi)定位一般來講，蛋白質(zhì)在合成之后并經(jīng)過一定的修飾〔例如泛素化、糖基化、乙酞化和磷酸化〕，通常會定位到細胞的某些特定的區(qū)域才會發(fā)揮其特定的功能，例如激素受體必須進入細胞膜中才能辨別相應(yīng)的激素；RNA和DNA聚合酶必須送到細胞核中才能介入核酸的合成。具有不同理化性質(zhì)的細胞器內(nèi)環(huán)境也會選擇性的包容不同的構(gòu)造和外表性質(zhì)的蛋白。蛋白質(zhì)的亞細胞定位與其功能之間存在著特別重要的聯(lián)絡(luò)。最初以為泛素化系統(tǒng)只能降解細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)，后來發(fā)現(xiàn)，泛素化修飾作用貫穿于整個細胞的質(zhì)膜系統(tǒng)，從細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到核膜等等。3.8功能性分析己經(jīng)有研究表示清楚，泛素化的修飾作用已不僅僅局限于介導蛋白質(zhì)的降解，還能夠直接影響蛋白質(zhì)的活性和定位。蛋白質(zhì)修飾及降解貫穿幾乎所有細胞活動，包括基因表示出、細胞增殖、分化、衰老、凋亡和自噬，也調(diào)控著個體的生長、發(fā)育和衰老。由于底物蛋白廣泛存在于細胞中，泛素化修飾調(diào)控的細胞活動主要包括細胞周期、細胞凋亡、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA損傷修