血清白蛋白序列中的相似氨基酸突變特點(diǎn)分析

陸會(huì)寧，齊燕姣，馮樹(shù)華，李世璽，趙婭敏，金能智

doi：10.3969/j.issn.1672－5565.2015.03.06

血清白蛋白序列中的相似氨基酸突變特點(diǎn)分析

陸會(huì)寧1?，齊燕姣2，馮樹(shù)華2，李世璽2，趙婭敏2，金能智3

（1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州730124；

2.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，蘭州730124；

3.甘肅省計(jì)算中心，蘭州730000）

血清白蛋白是必不可少的生命物質(zhì)，在生命運(yùn)動(dòng)和發(fā)展延續(xù)中起著重要的作用。它不僅能維持正常的血漿滲透壓，最重要的是能夠儲(chǔ)存和運(yùn)輸眾多的內(nèi)源性和外源性物質(zhì)。本文利用生物信息學(xué)的方法分析了幾種不同物種的血清白蛋白的結(jié)構(gòu)信息和疏水性特點(diǎn)，研究表明人、牛、猴、兔、狼、貓的血清白蛋白序列均屬于親水性蛋白質(zhì)，在100 bp以內(nèi)的疏水性值差別比較明顯。通過(guò)對(duì)血清白蛋白進(jìn)行多序列比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)兔血清白蛋白的氨基酸突變的數(shù)目是最多的。在這幾種血清白蛋白序列中，氨基酸突變更容易發(fā)生在結(jié)構(gòu)相似、極性相似和能量比較接近的氨基酸之間，如D和L、E和D。對(duì)于人血清白蛋白來(lái)說(shuō)，從疏水性的丙氨酸A到酸性的谷氨酸E的突變比較多，使得人血清白蛋白在進(jìn)化過(guò)程中的親水性增強(qiáng)，是個(gè)很好的儲(chǔ)存和運(yùn)輸小分子的載體。這些基于生物信息學(xué)方面的血清白蛋白的突變及其進(jìn)化關(guān)系的研究，為進(jìn)一步研究藥物與血清白蛋白的相互作用在其他物種中表現(xiàn)和特點(diǎn)提供了良好的基礎(chǔ)。

血清白蛋白；序列比對(duì)；突變；疏水性

血清白蛋白（Serum albumin，SA）是人和動(dòng)物體血液循環(huán)體系中含量最豐富的蛋白質(zhì)，約占血清總蛋白的60％［1－2］。血清白蛋白除了能維持正常的血漿滲透壓外，最基本的作用是能夠儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)眾多的內(nèi)源性和外源性物質(zhì)，如金屬離子、脂肪酸、氨基酸、膽紅素、酶、激素和各種各樣的代謝物，以及諸如抗凝血?jiǎng)?、安神藥、常用麻醉劑和抗癌抗腫瘤藥物［3－8］等等。在生物體中，血清白蛋白是必不可少的生命物質(zhì)，在生命運(yùn)動(dòng)和發(fā)展延續(xù)中起著重要的作用。有關(guān)血清白蛋白的構(gòu)象、組成、結(jié)構(gòu)及與小分子的相互作用的機(jī)理，是目前生命科學(xué)、化學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)共同關(guān)注的課題。

由于牛血清白蛋白和人血清白蛋白具有較高的相似性，且來(lái)源廣泛、廉價(jià)等優(yōu)良條件，常常代替人血清白蛋白被用于研究各種小分子、大分子與血清白蛋白的相互作用［9－12］，期望能在分子水平上揭示相關(guān)生命活動(dòng)過(guò)程的奧秘。隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)被用來(lái)研究血清白蛋白在生命體中重要作用和意義。特別是隨著生物技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其他哺乳動(dòng)物的研究也逐漸熱門(mén)起來(lái)［13－16］。但是對(duì)這些物種的蛋白質(zhì)序列特點(diǎn)和差異等還沒(méi)有深刻的認(rèn)識(shí)。因此，本論文通過(guò)生物信息學(xué)方法分析人類 （Homo sapiens）、牛 （Bos taurus）、兔（Rabbit）、貓（Felis catus）、獼猴（Macaca mulatta）和狼（Canis lupus）的血清白蛋白序列之間的差異，了解序列之間的氨基酸發(fā)生突變的特點(diǎn)，從而認(rèn)識(shí)血清白蛋白序列的進(jìn)化特點(diǎn)，為進(jìn)一步深入研究其他物種的生理特點(diǎn)和藥物與血清白蛋白的相互作用提供了一定的基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 蛋白質(zhì)序列

從NCBI網(wǎng)站（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed）獲得載蛋白質(zhì)序列，其中來(lái)自人類Homo sapiens、牛Bos taurus、兔Rabbit、貓F(tuán)elis catus、獼猴Macacamulatta和狼Canis lupus的血清白蛋白序列ID分別是1MBO、AAN17824.1、NP＿001075813.1、NP＿001009961.1、NP＿001182578.1和BAC10663.1。長(zhǎng)度分別為585 aa、607 aa、584 aa、608 aa、608 aa和608 aa。

1.2 蛋白質(zhì)序列分析

多序列的比對(duì)是采用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置在ClustalW軟件中進(jìn)行的。利用Lasergene軟件分析蛋白質(zhì)的氨基酸序列長(zhǎng)度、組成以及等電點(diǎn)；通過(guò)MegAlign軟件中Lipman?Pearson方法進(jìn)行序列相似性分析；TMHMM Server（http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）和 TMpred （http://www.ch. embnet.org/software/TMPRED＿form.html）預(yù)測(cè)跨膜區(qū)。用ExPAsy的ProtScale程序進(jìn)行蛋白質(zhì)的疏水性分析?；?clustal軟件的多序列比對(duì)和 Jone?Taylor?Thornton（JTT）模型，采取缺失序列刪除的方式，用MEGA軟件的Neighbor?Joining（NJ）方法構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)。

1.3 分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在Pubchem上下載氨基酸分子的結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)Chem3D軟件的MM2法做構(gòu)型優(yōu)化，精確度為0.001。通過(guò)Gaussian軟件的密度泛函理論B3LYP的方法和6－31G（D）的基組做進(jìn)一步的幾何優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物種血清白蛋白序列的相似性

從表1血清白蛋白序列的相似性分析可以看出，人類與獼猴的血清白蛋白序列相似性最高，達(dá)到了93.3％。其次就是貓和狼的，是87.3％。人類與牛的序列相似性僅僅是74.5％。由于牛的血清白蛋白序列容易獲得，且與人類的有較高的相似性，因此常常在很多研究中用來(lái)替代人血清白蛋白［17－20］。其中，相似性最低的是牛和兔的血清白蛋白序列，只有71.5％。

表1 血清白蛋白序列的相似性Table 1 Sequence sim ilarity of serum album in ％

2.2 蛋白質(zhì)序列的疏水性預(yù)測(cè)

疏水性預(yù)測(cè)對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究具有重要的作用［21－22］。通過(guò)對(duì)這幾種血清白蛋白序列進(jìn)行疏水性預(yù)測(cè) （見(jiàn)圖1），發(fā)現(xiàn)除了FSA和CSA外，其他蛋白質(zhì)序列在100 bp以內(nèi)的疏水性值跨度比較大。其中 RSA具有最大值 2.811和最小值－3.489。對(duì)于親緣關(guān)系比較近的HAS和MSA來(lái)說(shuō)，也許正是由于較多的極性氨基酸到疏水性氨基酸之間的E→A突變，使得MSA的疏水性值較HSA的要高。BSA的疏水性要比HSA的較高些，尤其是在100 bp以內(nèi)的差別比較明顯?？傮w上講，這幾種血清白蛋白都屬于親水性蛋白，沒(méi)有跨膜區(qū)。因此，血清白蛋白作為藥物運(yùn)輸載體在生理活動(dòng)中起著非常重要的作用［23－27］。

圖1 不同物種血清白蛋白序列的疏水性預(yù)測(cè)Fig.1 Hydrophobic prediction of serum albumin sequences for different species

2.3 蛋白質(zhì)序列之間的突變規(guī)律

為了了解氨基酸序列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文詳細(xì)分析了這些不同物種的血清白蛋白序列之間的異同點(diǎn)?；诎被岫嘈蛄斜葘?duì)［28－29］，我們定義是在同一個(gè)位點(diǎn)中，如果有三個(gè)以上的氨基酸是相同的D，則認(rèn)為其公共的氨基酸是D（序列比對(duì)具體數(shù)據(jù)未列）。這樣，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，總共的突變數(shù)目是293個(gè)，類型有99種，如：E→G（QADHKV）、A→G（EPTLIVSYK）、D→E（NAGST）、T→D（EAKSG）、F→L（Y）、S→T（APVMKN）、M→V、Q→K（ASETH）、N→S（KDHR）、L→F（GTIVKWMQ）、P→G（QR?KATHS）、V→K（ATLIGSP）、H→Q（KP）、G→K（NDE）、K→H（RNEQTH）、I→V（LM）、Y→F、R→Q（E）。其中RSA的突變位點(diǎn)最多，占27.30％。而 CSA、FSA、HAS和MSA的突變數(shù)目比較接近，F(xiàn)SA的最少，僅占11.94％（見(jiàn)圖2）。

圖2 不同物種的血清白蛋白氨基酸序列的突變率Fig.2 Mutation rate of serum albumin amino acid sequence for different species

在圖3中列舉了CSA、FSA、HAS、MSA、BSA和RSA氨基酸序列不同類型突變的概率。對(duì)于CSA來(lái)說(shuō)，這些突變中，概率最高的是從L→V和從A→G突變；對(duì)于FSA來(lái)說(shuō)，概率較高的是D→E和L→V；對(duì)于HSA來(lái)說(shuō)，概率較高的是A→E；對(duì)于MSA來(lái)說(shuō)，概率較高的是E→A和F→L；對(duì)于BSA來(lái)說(shuō)，概率較高的是S→T K→R A→TD→N E→D；RSA是突變最多的一個(gè)，其中 E→G、E→D、A→G、D→E、F→L、Q→K、K→H、V→L、L→I和S→A是比較多的。在這其中68.2％的氨基酸的突變是發(fā)生在極性相似的兩個(gè)氨基酸之間。例如，亮氨酸L到纈氨酸V都是疏水性的氨基酸，絲氨酸S和蘇氨酸T都屬于中性氨基酸；谷氨酸E和天冬氨酸D都屬于酸性的氨基酸。對(duì)于極性不相同的氨基酸之間的突變，大多數(shù)更容易發(fā)生從疏水性的氨基酸到極性氨基酸之間突變，例如HSA的丙氨酸A到谷氨酸E的突變。而這正是HSA發(fā)生較多的突變，這種序列進(jìn)化的特點(diǎn)使得人類血清白蛋白的親水性增強(qiáng)。而與HSA親緣關(guān)系（見(jiàn)圖4）較遠(yuǎn)的CSA和FSA來(lái)說(shuō)，更容易發(fā)生的是疏水性氨基酸與疏水性氨基酸之間的突變。

圖3 CSA、FSA、HAS、MSA、BSA和RSA氨基酸序列不同類型突變的概率Fig.3 Different types ofmutations rates of CSA、FSA、HAS、MSA、BSA and RSA am ino acid sequences

圖4 血清白蛋白氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.4 The phylogenetic tree of serum albumin amino acid sequences

從氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看（見(jiàn)圖5），突變更容易發(fā)生的結(jié)構(gòu)相似的兩個(gè)氨基酸之間。例如，丙氨酸A和谷氨酸E之間、纈氨酸V和亮氨酸L之間、谷氨酸E和天冬氨酸D之間。經(jīng)過(guò)B3LYP/6－31G?條件下對(duì)這幾種氨基酸的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［30－33］，發(fā)現(xiàn)丙氨酸A（見(jiàn)圖5a）和谷氨酸E（見(jiàn)圖5b）之間的穩(wěn)定構(gòu)象很相似，差別在于左側(cè)R基團(tuán)CH3和CH2CH2COOH的不同。正是由于這個(gè)R基團(tuán)的差異，導(dǎo)致這兩個(gè)分子之間的能量差是5.981×105kJ/mol（A的是－8.497×105kJ/mol，E的是－1.448×106kJ/mol），而且A是疏水性的氨基酸，E是酸性氨基酸。因此，可以認(rèn)為這兩個(gè)氨基酸分子之間的突變是比較難于發(fā)生的，主要是在MSA和BSA上。谷氨酸E和天冬氨酸D（見(jiàn)圖5c）的穩(wěn)定構(gòu)象差別較為明顯，但是這兩個(gè)分子都屬于酸性氨基酸，最低能量差僅為1.032× 105kJ/mol。纈氨酸V和亮氨酸L的分子結(jié)構(gòu)差別僅僅是一個(gè)CH2基團(tuán)，但是穩(wěn)定構(gòu)象差別比較明顯（見(jiàn)圖5d和圖5e）。這兩種氨基酸都屬于疏水性氨基酸，分子的最低能量分別是－1.056×106kJ/mol和－1.159×106kJ/mol，差也是1.032×105kJ/mol。因此可以推斷氨基酸E和D之間、V和L之間的突變要比氨基酸A和E之間的突變?nèi)菀装l(fā)生。

圖5 經(jīng)B3LYP/6－31G?條件下優(yōu)化的氨基酸分子結(jié)構(gòu)Fig.5 Optimized molecular structure of am ino acids under the condition of the B3LYP/6－31G?

3 結(jié) 論

用生物信息學(xué)的方法討論血清白蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，通過(guò)疏水性預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)人、牛、猴、兔、狼、貓的血清白蛋白序列均屬于親水性蛋白質(zhì)。通過(guò)對(duì)血清白蛋白進(jìn)行多序列比對(duì)分析氨基酸的突變點(diǎn)和插入/缺失，發(fā)現(xiàn)Rabbit的血清白蛋白突變是最多的。突變?nèi)菀装l(fā)生在結(jié)構(gòu)相似、極性相似和能量比較接近的氨基酸D和L以及氨基酸E和D之間。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，其血清白蛋白氨基酸序列中發(fā)生了從疏水性的丙氨酸A到酸性的谷氨酸E的突變，盡管這兩種氨基酸分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)比較相似，但是這它們之間的能量差距比較大。這些基于生物信息學(xué)方面的血清白蛋白的研究，對(duì)于進(jìn)一步研究藥物與血清白蛋白的相互作用，以及在其他物種中表現(xiàn)和特點(diǎn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

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Mutational characteristics analysis of the similar amino acid of serum albumin sequences

LU Huining1?，QIYanjiao2，F(xiàn)ENG Shuhua2，LIShixi2，ZHAO Yamin2，JIN Nengzhi3
（1.Department of Life Sciences and Biological Engineering，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730124，China；
2.Department ofChemical Engineering，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730124，China；
3.Gansu Province Computing Center，Lanzhou 730000，China）

Serum albumin is essential to life and plays an important role in the lifemovement and development.It can not only maintain normal plasma osmolality，but also can store and transportmany endogenous and exogenous substances.In this paper，the structure information and hydrophobic characteristics of serum albumins from several different species were analyzed by using bioinformatics.Results indicated that serum albumin sequences from different specieswere all hydrophilic，such as Homo sapiens，Bos Taurus，Rabbit，F(xiàn)elis catus，Macaca mulatta and Canis lupushuman.Hydrophobic value was relatively obviouswithin 100 bp of these serum albumin sequences. By using multiple sequence alignment analysis，we found that the rabbit had the most number of amino acid mutations.Among these serum albumin sequences，the amino acid mutations were more likely to occur between amino acid with similar structure，similar hydrophilic and energy，such as D and L，E and D.For the human serum albumin，mutations from hydrophobic alanine A to glutamic E were relativelymuchmore than others，whichmay be related with its good hydrophily and carrier of preserving or transporting smallmolecules.The analysis ofmutation and evolutionary relationships based on bioinformatics could provide good foundation for further studying the interaction between drugs and serum albumin sequences in other species.

Serum albumin；Sequence alignment；Mutation；Hydrophobic

Q－03

A

1672－5565（2015）03－179－07

2015－06－10；

2015－07－14.

國(guó)家民委科研項(xiàng)目（14XBZ021）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（NO.31920130035）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（zyz2011064）。

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陸會(huì)寧，男，講師，研究方向：分子生物學(xué)與生物信息學(xué)；E－mail：lzz.316＠163.com.