IL-6基因結(jié)構(gòu)和功能生物信息學(xué)預(yù)測*

于 欣，楊 震，楚元奎，張怡清，于美玲

(寧夏醫(yī)科大學(xué)：1.臨床學(xué)院檢驗系；2.臨床學(xué)院心臟中心；3.藥劑科，銀川 750004)

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·論 著·

IL-6基因結(jié)構(gòu)和功能生物信息學(xué)預(yù)測*

于 欣1，楊 震2△，楚元奎1，張怡清1，于美玲3

(寧夏醫(yī)科大學(xué)：1.臨床學(xué)院檢驗系；2.臨床學(xué)院心臟中心；3.藥劑科，銀川 750004)

目的 以白細(xì)胞介素(IL)-6為研究對象，對其基因結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行生物信息學(xué)分析。方法 采用生物信息學(xué)軟件對基因編碼的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、信號肽、跨膜結(jié)構(gòu)、亞細(xì)胞定位、二級結(jié)構(gòu)及高級結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物信息學(xué)分析。結(jié)果 IL-6為穩(wěn)定親水性跨膜蛋白，定位于細(xì)胞外， 二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主，有2個Ser和2個Thr可成為蛋白激酶磷酸化位點。結(jié)論 分析預(yù)測IL-6，在研究其參與高血壓、炎性反應(yīng)等方面有重要意義。

白細(xì)胞介素-6； 生物信息學(xué)； 基因結(jié)構(gòu)

近年來，人類基因組計劃和其他物種基因組計劃使人類在生命科學(xué)領(lǐng)域，尤其是核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的序列結(jié)構(gòu)與功能等領(lǐng)域迅速積累了大量數(shù)據(jù)，由生命科學(xué)和信息技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合形成的新興交叉學(xué)科——生物信息學(xué)[1]。伴隨分子遺傳學(xué)在檢驗醫(yī)學(xué)中的進(jìn)步,某些臨床遺傳學(xué)研究已從簡單的單基因疾病轉(zhuǎn)向復(fù)雜的多基因疾病，如心血管疾病、高血壓、各種腫瘤及炎性反應(yīng)等[2]。白細(xì)胞介素(IL)-6是具有多種生物活性的細(xì)胞因子，也是與內(nèi)分泌、炎性反應(yīng)關(guān)系最為密切的炎性因子[3]，其以自分泌、旁分泌等多種形式對不同器官產(chǎn)生不同生物學(xué)效應(yīng)。筆者采用生物信息學(xué)軟件分析IL-6不同特點，為研究其與高血壓等臨床常見疾病發(fā)生發(fā)展相關(guān)關(guān)系提供思路。現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 以登陸序列號(NP_000591.1)在Genbank數(shù)據(jù)庫檢索得到人蛋白序列。

1.2 方法 采用在線獲取生物信息學(xué)軟件protparam 分析IL-6蛋白的物理和化學(xué)特性；采用軟件TargetP(由丹麥TeKniske大學(xué)生物學(xué)序列分析中心提供)和PSORTⅡ綜合分析其亞細(xì)胞定位；采用軟件SignalP4.0分析信號肽；采用TMHMM2.0 Sever對IL-6跨膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測；采用Netphos2.0 Server和NetOGlyc4.0 Server對其磷酸化位點和糖基化位點進(jìn)行前瞻性分析；采用軟件Smart在線預(yù)測IL-6保守結(jié)構(gòu)域；采用DNAStar在線分析其二級結(jié)構(gòu)及抗原系數(shù)。所有在線工具網(wǎng)址見文獻(xiàn)[1,4]。

2 結(jié) 果

2.1 IL-6蛋白理化性質(zhì)的預(yù)測分析 采用軟件protparam對IL-6蛋白的理化性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)IL-6由212個氨基酸組成，分子式為C1 049H1 685N283O321S10，相對分子質(zhì)量為23 718.2×103，理論等電點pI為6.17。在構(gòu)成IL-6蛋白的20種氨基酸中，Leu所占成分比例最高，占13.2%；而His和Trp比例較少，分別占0.9%和0.5%；未發(fā)現(xiàn)Pyl和Sec。帶負(fù)電荷氨基酸殘基數(shù)為24，帶正電荷氨基酸殘基數(shù)為23；不穩(wěn)定系數(shù)為57.7。依據(jù)Guruprasad方法，分析結(jié)果提示IL-6蛋白不穩(wěn)定性；脂肪系數(shù)為87.5，屬于脂溶性蛋白；總平均親水性為(-0.271 0)，見圖1。

圖1 IL-6氨基酸組成

2.2 IL-6蛋白信號肽分析 IL-6分泌蛋白N端15～35位氨基酸的疏水性短肽區(qū)域可引導(dǎo)蛋白質(zhì)的肽鏈通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)入腔內(nèi)，此疏水短肽即為信號肽。本研究采用SignalP4.0對IL-6蛋白信號肽進(jìn)行預(yù)測。首先，輸入前70個氨基酸，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型NN和隱馬爾可夫模型HMM進(jìn)行預(yù)測，隨后給出Y、C、S-score計測結(jié)果，通過Y最大值判斷分析信號肽剪切位點；通過S平均值判斷分泌蛋白(若S平均值高于0.500，則為分泌蛋白，且存在信號肽)。預(yù)測表明，C結(jié)果值為0.257，Y結(jié)果值為0.477，S結(jié)果值為0.963，其剪切位點位于27～28位氨基酸，且S平均值0.887，說明IL-6是具有信號肽的分泌蛋白。

2.3 IL-6蛋白跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測 膜蛋白常有胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)等。跨膜區(qū)為蛋白的細(xì)胞膜內(nèi)部分，可1個或多個。筆者采用生物TMHMM2.0 Sever對IL-6蛋白跨膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，IL-6蛋白可能是由跨膜區(qū)(5～27位氨基酸)、胞外區(qū)(1～405位氨基酸處于細(xì)胞膜表面)及胞內(nèi)區(qū)(28～101位氨基酸)構(gòu)成的膜蛋白。

2.4 IL-6蛋白的疏水性預(yù)測分析 采用軟件protscale分析IL-6蛋白疏水性，結(jié)果顯示該蛋白多肽鏈第18號分值最高(2.756，疏水性最強)；第83號分值最低(-2.422，親水性最強)。比較親水性區(qū)域和疏水性區(qū)域，發(fā)現(xiàn)前者區(qū)域顯著大于后者疏水性區(qū)域，提示IL-6蛋白是1種親水性蛋白。見圖2。

圖2 IL-6蛋白的疏水性預(yù)測分析

2.5 IL-6蛋白的亞細(xì)胞定位分析 把IL-6蛋清蛋白序列輸入軟件TargetP，序列來源項選擇noplant ，其他選項用默認(rèn)值。結(jié)果表明，該蛋白大部分集中在細(xì)胞其他位置。進(jìn)一步采用軟件PSORTⅡ的the k-NN Prediction分析，基本確認(rèn)IL-6蛋白分子屬于分泌蛋白，分別在胞核(占43.5%)、細(xì)胞質(zhì)(占39.1%)、細(xì)胞骨架(占8.7%)、線粒體(占8.7%)中發(fā)揮生物學(xué)作用。

2.6 IL-6蛋白翻譯后修飾位點分析 真核生物中，蛋白質(zhì)翻譯后修飾過程常見有糖基化和磷酸化2種。糖基化通常修飾天冬酰胺上N端，其氨基酸特征序列為Asn-X-Ser-Thr(X可表示為任一種類氨基酸)。機體某些蛋白需要糖分子/糖鏈等與其他分子相互作用發(fā)揮生物學(xué)作用。磷酸化多具有功能開關(guān)作用，當(dāng)機體蛋白被磷酸化后才具備調(diào)控生物體功能代謝的作用。筆者采用Netphos2.0 Server和NetOGlyc4.0 Server對IL-6蛋白進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明其有6個Ser、2個Thr、1個Tyr可能成為蛋白激酶磷酸化位點，其糖基化位點分別為Thr2、Ser3、Ser16、Ser26、Ser29、Thr30、Thr39、Ser41、Thr42、Ser57、Ser64、Thr71。

2.7 IL-6蛋白的二級結(jié)構(gòu)分析 多肽鏈的主鏈借助氫鍵形成有規(guī)則卷曲折疊的一維構(gòu)象稱為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)。本研究采用DNAstar預(yù)測IL-6蛋白的二級結(jié)構(gòu)和抗原表位，見圖3。綜合Gamien-Robson和Chou-Famsman2方法，預(yù)測發(fā)現(xiàn)IL-6的二級結(jié)構(gòu)主要為螺旋結(jié)構(gòu)(75.9%和51.9%)、折疊(4.72%和1.46%)、轉(zhuǎn)角(5.19%和2.45%)和無規(guī)則卷曲(1.42%)。根據(jù)Jameson woff預(yù)測IL-6氨基酸，抗原指數(shù)較高區(qū)域主要為29～56、65～86、90～91、94～111、132～141、154～162、165～172、180～181、197～199、202～210區(qū)段，其他部位的可能較小或表現(xiàn)為負(fù)值。綜合分析發(fā)現(xiàn),除第30～56外，其他區(qū)域親水性和氨基酸表面指數(shù)偏低，提示該區(qū)域可能是優(yōu)勢抗原表位。

圖3 IL-6蛋白的二級結(jié)構(gòu)

2.8 IL-6蛋白的保守功能域分析 保守結(jié)構(gòu)域指生物進(jìn)化或者1個蛋白家族中不變或相同的結(jié)構(gòu)域，具有重要功能。采用Smart(網(wǎng)址為http://smart.embl-heidelberg.de)推測，IL-6蛋白的低復(fù)雜度區(qū)域(LCR)為11～33氨基酸；第57～210氨基酸為IL-6結(jié)構(gòu)域。

3 討 論

有學(xué)者于1986年首次證實單核細(xì)胞可產(chǎn)生1種中性粒細(xì)胞趨化因子(即IL)，且可分為多種細(xì)胞IL。IL最初指白細(xì)胞產(chǎn)生，于白細(xì)胞間發(fā)揮功能的細(xì)胞因子，后發(fā)現(xiàn)IL還可由其他細(xì)胞分泌，亦可作用其他細(xì)胞。其中，IL-6又稱前炎性細(xì)胞因子[5]，主要被單核-巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞[6]、內(nèi)皮細(xì)胞、肥大細(xì)胞產(chǎn)生，可刺激B細(xì)胞產(chǎn)生抗體、T細(xì)胞增殖、細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(CTL)分化、造血、肝細(xì)胞增殖和分化等。作為重要參與物質(zhì)在某些疾病炎性過程中發(fā)生作用(如慢性阻塞性肺疾病)[7]。分析表明，IL-6是1種脂溶性信號肽分泌蛋白，亦為親水性蛋白，主要由細(xì)胞核(占43.5%)、細(xì)胞質(zhì)(占39.1%)發(fā)揮生物學(xué)作用。預(yù)測表明其有6個Ser、2個Thr、1個Tyr可成為蛋白激酶磷酸化位點；主要為螺旋結(jié)構(gòu)；其第30～56可能為優(yōu)勢抗原表位，結(jié)構(gòu)域為第57～210氨基酸。本研究通過生物信息學(xué)方法對IL-6蛋白結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了生物信息學(xué)分析,為研究其參與高血壓、肺動脈高壓或乳腺癌等疾病炎性損傷的研究結(jié)構(gòu)和功能提供思路[8-10]，并為其參與某些臨床疾病炎性反應(yīng)時的作用提供理論依據(jù)。

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Bioinformatics prediction of IL-6 gene structure and function*

YUXin1,YANGZhen2△,CHUYuankui1,ZHANGYiqing1,YUMeiling3

(1.DepartmentofClinicalLaboratory;2.HeartCenter;3.DepartmentofPharmacy,NingxiaMedicalUniversity,Yinchuan,Ningxia750004,China)

Objective To analysis the bioinformatics of IL-6 gene structure and function.Methods By means of bioinformatics software,the structure,physical and chemical properties,signal peptide,transmembranes structure,subcellar localization,secondary structure and advanced structure of the protein were analyzed.Results IL-6 protein was stable hydrophilic transmembrane protein,which were located outside the cells.The secondary structure was primarily composed of α-helix and randmo coil.And it had two serines and two threonines,which might become phosphorylation sites of the proteinkinase.Conclusion Analysis and prediction of IL-6 might be significant in research of clinical diseases such as hypertension,inflammation and so on.

IL-6; bioinformatics; gene structure

寧夏回族自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目(NZ12175)。

于欣，女，副教授，主要從事心血管疾病臨床血液免疫分子生物學(xué)實驗室方面的研究。

△通訊作者，E-mail:yangzhen080@163.com。

10.3969/j.issn.1673-4130.2016.21.004

A

1673-4130(2016)21-2959-03

2016-02-05

2016-04-25)