1、第 33 卷第 1 期2023 年 2 月生物技术Biotechnology33(1):33Feb.,2023 收稿日期:2022-03-31 基金资助:国家自然科学基金项目(62161009)作者简介:窦承贤(1997-),男,硕士研究生,研究方向:生物信息学,E-mail:。通讯作者:梁晋涛(1970-),男,博士,教授,研究方向:生物医学信息研究,发表论文 30 篇,授权专利 5 项,E-mail:dxljt 。李桂银(1972-),女,博士,教授,研究方向:生物医学信息研究,SCI 收录论文 40 多篇,申请发明专利 38 项,获授权 16 项,E-mail:liguiyin01 。铁
2、蛋白结构和功能的生物信息学分析窦承贤1,方敏全1,梁晋涛1,李桂银1,2(1.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院,广西 桂林 541004;2.广东石油化工学院 化学学院,广东 茂名 525000)摘要:目的 通过生物信息学方法探究铁蛋白的结构和功能的相关信息,研究铁蛋白与肝癌的潜在关系。方法 从NCBI 获取铁蛋白序列,分别使用 ProScale、TMHMM、NCBI-CDD 和 Prosite 工具分析铁蛋白的亲疏水性、跨膜区、功能结构域和生物活性位点。使用 SOPMA、PSIPRED 和 SWISS-MODEL 平台预测了铁蛋白的二级结构和三级结构。进一步,基于 STRING 数据库研
3、究了铁蛋白的互作蛋白和富集通路。结果 铁蛋白是一种亲水性蛋白,无跨膜区,存在 1个铁蛋白样二铁氧化的功能结构域和 2 个生物活性位点,具有较高的螺旋程度。铁蛋白与 RPS17、TFRC、SCARA5、NCOA4 和 COX8A 五种蛋白相互作用,这些蛋白显著富集在铁死亡与矿物吸收富集途径,与癌症的发生有关。结论对铁蛋白进行生物信息学分析,预测了铁蛋白重链和轻链的理化性质和空间结构,也从其功能上揭示了与肝癌的潜在关系,为深入研究提供了理论基础。关键词:铁蛋白;重链;轻链;肝癌;互作蛋白;铁死亡中图分类号:Q71 文献标识码:A DOI:10.16519/ki.1004-311x.2023.01.
4、0006Bioinformatics analysis of the structure and function of ferritinDOU Cheng-xian1,FANG Min-quan1,LIANG Jin-tao1,LI Gui-yin1,2(1.School of Life and Environmental Sciences,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China;2.College of Chemistry,Guangdong University of Petrochemical Tec
5、hnology,Maoming 525000,China)Abstract:ObjectiveThrough bioinformatics methods to explore the relevant information of the structure and function of fer-ritin,and studied the potential relationship between ferritin and liver cancer.MethodThe amino acid sequence of ferritin wasobtained from NCBI.The hy
6、drophilicity,transmembrane region,functional domain and bioactive site of ferritin were analyzed byProScale,TMHMM,NCBI-CDD and Prosite tools respectively.SOPMA and SWISS-MODEL tools visualized the secondaryand tertiary structures of ferritin.Further,the interaction proteins and enrichment pathways o
7、f ferritin were studied based onstring database.ResultFerritin was a hydrophilic protein without transmembrane region.There was a function domain of fer-ritin-like diiron domin profile and two bioactive sites,which had a high degree of helicity.Ferritin interacted with RPS17,TFRC,SCARA5,NCOA4 and CO
8、X8A.These proteins were significantly enriched in the pathway of iron death and mineral ab-sorption and enrichment,which were related to the occurrence of a variety of cancers.ConclusionThe bioinformatics analysisof ferritin was carried out,the physicochemical properties and spatial structure of FTH
9、1 and FTL were predicted,and the poten-tial relationship with liver cancer was revealed from its function,which provided a theoretical basis for in-depth research.Keywords:ferritin;ferritin heavy chain;ferritin light chain;liver cancer;interaction protein;ferroptosis 铁蛋白是一种由肝脏合成的糖蛋白1,由 H 亚基和 L 亚基两种亚
10、基构成的 24 亚基蛋白质,组装成一个直径为 12 nm 的结构,可储存约 4 000 个铁原子。H 亚基较大,呈酸性,具有铁氧化物酶活性;L 亚基较小,呈碱性,它通过具有更有效的铁成核位点而有助于铁结合活性2。血清铁蛋白是反映体内铁储备的一个重要指标3,可调节铁的储存及代谢4。以往研究显示,多种癌症的发生都会伴随着铁蛋白表达增加,高表达的铁蛋白可能会造成患者的预后不良。肝癌是我国常见恶性肿瘤之一,病因与病理机制尚未被阐明。铁蛋白对于肝脏的损害反应敏感,临床发现原发性肝癌患者血清中铁蛋白含量高于健生 物 技 术2023 年康者,肝癌患者治疗有效者血清中铁蛋白含量下降5,而恶化和再发者血清中铁蛋
11、白含量升高。周道祥等6在一项肝癌标志物研究中发现,对于甲胎蛋白阴性的肝癌患者,使用铁蛋白进行检验会有最高的特异性和敏感性,超过了 85%,故铁蛋白检测在肝癌辅助诊断中具有重要价值,可作为肝癌检测与治疗效果监测的一种手段。目前,已经有很多研究通过体内外实验或临床数据分析等方法验证了铁蛋白可以作为肿瘤研究的潜在标志物,如乳腺癌7、前列腺癌8等。而本研究用生物信息学方法研究铁蛋白重链和轻链的结构和功能,从铁蛋白理化性质、空间结构、互作蛋白、富集通路四个方面进行分析预测,进一步从氨基酸序列特征以及分子结构水平上研究铁蛋白与肝癌的潜在关系,理解其在生理病理过程中的作用。1 材料与方法1.1 数据在 NC
12、BI(National Center of Biotechnology Infor-mation)官网(https:/www.ncbi.nlm.nih.gov)可以获得编码肝癌铁蛋白重链(ferritin heavy chain 1,FTH1)的氨基酸序列(NP_002023.2)和铁蛋白轻链(ferritin light chain,FTL)的氨基酸序列(CAG32996.1)。1.2 方法1.2.1 理化性质与空间结构分析使用 Expasy 的 ProtScale(https:/web.expasy.org/protscale/)工具进行铁蛋白亲疏水性分析,“A-mino acid sca
13、le”中 选 择“Hphob./Kyte&Doolit-tle”9;TMHMM2.0(http:/www.cbs.dtu.dk/serv-ices/TMHMM/)10在线软件对铁蛋白氨基酸序列进行跨膜区分析11,“Output format”中选择默认的“Extensive,with graphics”;使用 NCBI-CDD(ht-tps:/www.ncbi.nlm.nih.gov)数据库分析铁蛋白的结构域12;使用 Expasy 的 Prosite(https:/prosite.expasy.org/scanprosite/)在线程序分析铁蛋白的生物活性位点,选择“Exclude moti
14、fs with a high proba-bility of occurrence from the scan”,“Output format”选择“Graphical view”,“Maximum number of displayedmatches”默认为“10000”;使用 SOPMA 平台(ht-tps:/npsa-prabi.ibcp.fr/)对铁蛋白的二级结构进行预测13;使用 SWISS-MODEL 在线程序(ht-tps:/swissmodel.expasy.org/interactive)10对铁蛋白蛋白质三级结构预测14,获取肝癌铁蛋白三级结构的序列联配结果。1.2.2 蛋
15、白互作网络与富集分析基于 STRING 数据库(https:/cn.string-db.org/)构建蛋白互作网络并进行 KEGG 分析15。在“Multiple Proteins”模块输入铁蛋白重链 FTH1 和铁蛋白轻链 FTL,选择与其相关度最高的 5 种蛋白构建蛋白互作网络,并查看 KEGG 富集分析的结果。错误发现率(False discovery rate,FDR)小于 0.05 时具有统计学意义16。2 结果与分析2.1 铁蛋白亲疏水性和跨膜区分析使用 ProScale 对铁蛋白的重链和轻链进行亲疏水性分析。结果显示,铁蛋白重链在第 101 位甲硫氨酸处有最大值0.911,疏水性
16、最强;在第62 位谷氨酸处有最小值-3.211,亲水性最强(图 1A)。铁蛋白轻链第114 位亮氨酸处有最大值1.300,疏水性最强;而在第 61 位谷氨酸处有最小值-3.178,亲水性最强(图 1B)。铁蛋白重链和轻链序列中多数氨基酸的分值均小于 0,这表明铁蛋白是一个亲水性蛋白。使用 TMHMM 对铁蛋白的重链和轻链进行跨膜区分析,铁蛋白重链和轻链均处于膜外,无跨膜区。2.2 铁蛋白功能结构域分析用 NCBI-CDD、InterProScan 以及 Prosite 对铁蛋白的重链和轻链进行功能结构域分析。分析表明,铁蛋白重链是铁蛋白家族(ID:IPR001519)的成员,第 11-160 位氨基酸为其功能结构域 铁蛋白样二铁氧化结构域(Ferritin-like diiron dominprofile),分析结果见图 2A;铁蛋白轻链是铁蛋白家族(ID:IPR001519)的成员,第 7-156 位氨基酸为其功能结构域 铁蛋白样二铁氧化结构域(Ferritin-like diiron domain profile),分析结果见图 2B。2.3 肝癌铁蛋白生物活性位点分析通过 Pro