FOS蛋白的研究進展及生物信息學分析

摘要：FOS蛋白作為一類核蛋白轉錄因子，在調控細胞生長、分裂、增殖、分化乃至程序性死亡等方面具有重要的作用，它的表達影響了許多生命活動和過程，引起了人們的廣泛關注，并在學習記憶及射精的標記方面吸引了學者的眼球。對FOS蛋白的作用進行了綜述，并對人、大鼠及小鼠FOS蛋白進行了生物信息學分析，旨在為FOS蛋白在生理學方面的研究提供參考依據。

關鍵詞：FOS蛋白；轉錄因子；生物信息學

中圖分類號：Q816；Q811.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1537-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.07.001

FOS是c-fos基因轉錄產生的成熟mRNA編碼的一個核磷蛋白。c-fos基因是人或動物細胞中固有的正常基因，屬于即刻早期應答基因（Immediate early response genes，IEG），FOS作為一類核蛋白轉錄因子，在調控細胞生長、分裂、增殖、分化乃至程序性死亡等方面具有重要作用。FOS蛋白和c-fos基因受到廣泛的關注，研究不斷深入。本文就FOS蛋白的作用及其在性行為方面的研究進行了論述，對人、大鼠及小鼠的FOS蛋白進行了生物信息學分析。

1 FOS蛋白

c-fos基因高度保守，屬多基因家族，與其同族的還有fos-B，fos-1和fros-2。c-fos可在多種因素誘導下迅速地表達，其轉錄激活在5 min內即可產生，一般維持15～20 min，c-fos mRNA的蓄積在刺激后30～45 min可達高峰，半衰期為12 min。FOS蛋白合成后即刻轉入細胞核內，一般在刺激后20～90 min即可檢出，60～90 min達峰值，可持續2～5 h，半衰期為2 h[1]。

2 FOS蛋白的作用

在原癌基因的研究中對IEG產物的研究提示FOS蛋白可能是神經元被刺激激活的一種標志[2]。現代學者認為，FOS蛋白參與細胞的正常分化、生長以及學習、記憶等過程，在腦內與皮層、海馬、邊緣系統、背海馬、紋狀體內FOS蛋白的表達密切相關[3-7]。在病理狀態下與許多疾病的發生、發展有關，如宮頸癌[8]、癲癇[9]。目前FOS蛋白表達還用于偏頭痛治療藥物篩選、藥效評價和發病機理研究模型的建立[10]、鑒別生前電擊與死后電擊[11]、作為臨床提示腦部受傷時間的參考指標[12]。

FOS蛋白參與神經肽的調節，與神經元的可塑性有關，如細胞水平記憶的形成、神經元損傷后的再生等[1]。當受到如腦缺血、腦出血、血管性癡呆、癇性發作、熱應激、恐懼和憤怒應激等刺激后，其在數分鐘內做出反應，導致中樞神經系統不同區域出現不同數量的FOS蛋白表達[13]，如室旁核[14，15]、下丘腦視上核、下丘腦、杏仁核[16]等，在對外界刺激-轉錄耦聯的信息傳遞過程中起著核內第三信使的重要作用[17]，且各種急性應激所致小鼠空間學習記憶功能的改變與FOS蛋白表達的上調有關，其表達在應激后1 h明顯增加[18]。Moore等[19]研究發現，FOS蛋白的持續表達是細胞終末分化的標志及發生死亡的先兆[20]，同時還能抑制使細胞維持生存的一些基因的表達，維持著隨后的細胞死亡過程并持續很長時間[21]。

3 FOS蛋白與性行為

多年的研究發現大腦接收射精相關的信號，FOS蛋白的表達可作為與性行為的各個方面尤其是射精相關的神經活動的標志物[22-24]，并且FOS蛋白隨著性行為的增加而表達增高[25-27]，其表達可能與感覺輸入或行為輸出有關，或者兩者都有，人們普遍認為射精誘導FOS蛋白表達與感覺信息的處理比觸發射精更相關[28]。

現在FOS蛋白已被用于雄性和雌性嚙齒動物大腦性行為的圖譜功能網絡的繪制[29，30]，并且使用FOS蛋白作為標志物具有病變而不會影響細胞分辨率的優勢[31-35]。由于分辨率大，交配時FOS蛋白的增加發生在內側視前區、杏仁核、條紋終末核、中央被蓋區[36-39]、束旁丘腦核[26]、附屬嗅球、伏隔核、腹外側隔、條紋床核、內側視前區、下丘腦室旁核、腹內側核、杏仁核、杏仁海馬區、腹側被蓋區等。這些腦區域都是性行為調節下的神經網絡的部分[40]。總之插入和交配誘導了FOS蛋白在雄鼠大腦區域中的表達。研究中還發現許多性刺激后FOS蛋白表達的區域是控制雌性性行為和繁殖功能不同方面的區域。在大鼠中，當具有性經驗的雄性接觸雌性但還沒有開始騎跨時在內側視前區尾部內有FOS蛋白的感應現象[25]，在密閉的容器中為雄性提供動情或者不動情雌性弄臟的墊料時該區也有感應[41]。相比之下，在大鼠、雄性倉鼠[33，42]、雄性沙鼠[32]和雪貂[34]中，隨著交配中的插入和射精可能減少了FOS蛋白陽性催產素神經元在前側和內側分泌性細胞分區中的數量[43]。研究還發現FOS蛋白離散集群只在特定的分區位置出現并且是在射精后而不是插入后就出現[26，32]。在大鼠中， 這些 FOS蛋白集群的神經元通常出現在杏仁核外側區、條紋終末核喙部、束旁丘腦核內側。表明射精后激活了特定的腦部亞分區，射精能誘導FOS蛋白在大腦特定區域有選擇性的表達[29]。

4 FOS蛋白的生物信息學分析

4.1 人類FOS蛋白

人類FOS蛋白（GenBank：CAA24756.1）的編碼基因定位于染色體的14q21-31，該基因有4個外顯子和3個內含子，FOS蛋白為380個氨基酸的不穩定核內磷酸化蛋白[44]。FOS蛋白存在一個由88個完全相同的氨基酸順序組成的區域，這個區域包括一個能與DNA結合的基本區和亮氨酸拉鏈結構。通過Expasy進行一級結構分析可知FOS蛋白的分子式為C1767H2774N480O586S18，相對分子質量為40 695.40，理論等電點pI4.77，帶正電殘基（Arg+Lys）為33個，帶負電殘基（Asp+Glu）為51個。該蛋白的不穩定系數為78.82，說明其不穩定。脂肪系數為65.32，親水性系數為- 0.37，消光系數為21 930，哺乳動物的網織紅細胞體外的半衰期為30 h。結構域預測發現其基本區域為亮氨酸拉鏈的BRLZ蛋白，屬于B-ZIP超家族。

利用SOPMA對FOS蛋白序列進行二級結構預測，結果表明，FOS蛋白二級結構中α-螺旋（Alpha helix）占26.84%，β-折疊（Beta turn）占1.05%，延伸鏈（Extended strand）占8.16%，無規則卷曲（Random coil）占63.95%（圖1）。

用Swissmodel對其進行了三級結構預測和可視化分析（圖2）。該三級結構模型中用于建立模型的氨基酸殘基范圍為138～200位，該模型以2wt7A（2.30A）蛋白為模板，序列同源性為100%，E-value為1.43e-28.

4.2 大鼠FOS蛋白

大鼠FOS蛋白（NCBI reference sequence：NP_071533.1），FOS蛋白的分子式為C1776H2791N4

83O592S17，肽鏈包含380aa，相對分子質量為40 926.60，理論等電點pI4.81，帶正電殘基（Arg+Lys）為33個，帶負電殘基（Asp+Glu）為50個。該蛋白的不穩定系數為76.60，說明其不穩定。脂肪系數為65.29，親水性系數為- 0.43，消光系數為23 420，哺乳動物的網織紅細胞體外的半衰期為30 h。結構域預測發現其基本區域為亮氨酸拉鏈的BRLZ蛋白，屬于B-ZIP超家族。

二級結構預測結果表明，FOS蛋白二級結構中α-螺旋（Alpha helix）占27.63%，β-折疊（Beta turn）占1.05%，延伸鏈（Extended strand）占8.68%，無規則卷曲（Random coil）占62.63%（圖3）。

用Swissmodel對FOS蛋白進行了三級結構預測（圖4）。該三級結構模型中用于建立模型的氨基酸殘基范圍為138～200位，該模型以2wt7A（2.30A）蛋白為模板，序列同源性為100%，E-value為1.26e-28.

4.3 小鼠FOS蛋白

該蛋白PDB ID為2WT7，相對分子質量為28 329.84，保守結構域基本區域為亮氨酸拉鏈的BRLZ蛋白，屬于B-zip1超家族。2WT7有4條鏈。第一條鏈為63個殘基的多肽，二級結構為96%的α-螺旋。第二條鏈為90個殘基的多肽，二級結構為84%的α-螺旋，其余兩條鏈均為16個殘基。從PDB上下載其三級結構（圖5）。

4.4 FOS蛋白的序列比對與系統進化樹的建立

對大鼠FOS蛋白進行Blastp比對，選擇同源性較高或研究較多的動物FOS蛋白序列進行分析。結果表明，與小鼠和金倉鼠（Mesocricetus aurarus）同源性最高，為97%，其次為猩猩（Pongo abelii）、野駱駝（Camelus ferus）各為95%、人（Homo sapiens）為94%、黑猩猩（Pan troglodytes）為94%。

從NCBI的數據庫中挑選23個物種的FOS蛋白序列用MEGA5.0繪制進化樹，結果顯示大鼠與小鼠直接聚為一類，親緣關系最近，這與序列Blastp的分析結果一致。因此通過以上對大鼠、人及小鼠的FOS蛋白進行對比可以看出，三者的同源性較高，結構和性質相似（圖6）。

5 討論

目前，關于FOS蛋白對細胞生命活動的研究取得了重要進展，尤其在各種應激反應對FOS蛋白表達的影響及FOS蛋白表達與一些疾病的相關方面，如冀群升等[1]研究發現FOS蛋白與神經元的可塑性有關，它可以通過參與神經肽的調節影響細胞水平記憶的形成，方向義等[13]在研究中也發現受到各種應激后在數分鐘內中樞神經系統不同區域出現不同數量的FOS蛋白表達，且各種急性應激所致小鼠空間學習記憶功能的改變與FOS蛋白表達的上調有關[18]。而在研究性行為中也發現交配時一些與學習記憶相關的區域中FOS蛋白也隨之增加，如室旁核[14，15]、下丘腦視上核、下丘腦、杏仁核[16]等，這提示FOS蛋白可能與性行為中的學習記憶有關。然而FOS蛋白在這些尤其在性行為這一神秘的過程中是如何發揮作用的，這些作用又與哪些基因和蛋白有關等問題還有待深入研究。

由于從人類腦部取樣困難，試驗往往選用大鼠腦部作為試驗材料，不僅因為大鼠基因組與人類基因組相似度達90%，且大鼠腦量較大，取材方便，生物信息學分析發現大鼠、人及小鼠的FOS蛋白的同源性較高，結構和性質相似。尤其是大鼠和人類的FOS蛋白、相對分子質量、等電點等均相差較小，立體結構高度相似，因此研究大鼠FOS蛋白對研究人類FOS蛋白的各種性質和功能有極大的參考意義，本次生物信息學分析也可為大鼠大腦作為人類FOS蛋白研究的替代材料提供證據。

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