楊雨婷, 楊國(guó)平,2*
(1.大理大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)微生物學(xué)及免疫學(xué)教研室,云南 大理 671000;2. 大理大學(xué) 云南省昆蟲(chóng)生物醫(yī)藥研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 大理 671000)
結(jié)核病是由結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis, Mtb)感染引起的危害人類健康的慢性傳染病,是全球十大致死原因之一。WHO最新結(jié)核病流行病學(xué)報(bào)告指出,每年約有1 000萬(wàn)人感染Mtb,140萬(wàn)人死于結(jié)核病,且全球約有17億人口為Mtb潛伏感染者[1-5]。近年來(lái),由于HIV合并感染、耐藥菌株的產(chǎn)生及卡介苗預(yù)防效果不佳等原因,結(jié)核病的發(fā)病率明顯上升,結(jié)核病的防治面臨著巨大挑戰(zhàn)。因此,開(kāi)發(fā)安全、高效的新型結(jié)核疫苗對(duì)控制Mtb在全球范圍內(nèi)的流行具有重要意義。以蛋白抗原表位為基礎(chǔ)合成的多肽疫苗可通過(guò)提供大量特異性抗原精確啟動(dòng)高效的保護(hù)性體液免疫和細(xì)胞免疫,且易于生產(chǎn)、儲(chǔ)存,產(chǎn)生的副作用較小[6-10]。因此,對(duì)Mtb蛋白的抗原表位進(jìn)行預(yù)測(cè),并對(duì)所預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析從而篩選出優(yōu)勢(shì)抗原表位,將為新型結(jié)核疫苗的研制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。Mtb休眠生存調(diào)節(jié)因子(Dormancy survival regulator,DosR)通過(guò)調(diào)節(jié)約48個(gè)休眠相關(guān)基因的表達(dá)而使Mtb進(jìn)入休眠狀態(tài),與Mtb潛伏感染密切相關(guān)[11]。Rv0081基因是DosR調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,其編碼的Rv0081蛋白參與Mtb在低氧等應(yīng)激條件下的存活,是Mtb進(jìn)入休眠狀態(tài)的標(biāo)志性抗原[12-13]。研究發(fā)現(xiàn),Rv0081蛋白可通過(guò)促進(jìn)全血細(xì)胞分泌干擾素(Interferon, IFN)-γ、白介素(Interleukin, IL)-12p70等細(xì)胞因子啟動(dòng)機(jī)體的適應(yīng)性免疫反應(yīng),還可促進(jìn)全血細(xì)胞分泌具有抗菌效應(yīng)的促炎因子如腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor, TNF)-α、IL-6等發(fā)揮抗Mtb感染作用[14-15],表明該蛋白具有一定的免疫原性,有可能成為預(yù)防及診斷Mtb潛伏感染的潛在靶點(diǎn)。本研究應(yīng)用多種生物信息學(xué)分析軟件對(duì)Mtb Rv0081蛋白的生物學(xué)特征及抗原表位進(jìn)行預(yù)測(cè),為今后深入系統(tǒng)的分析Rv0081蛋白的免疫特性及研發(fā)新型結(jié)核疫苗提供參考。
Rv0081蛋白的生物信息學(xué)分析所用分析軟件及網(wǎng)址見(jiàn)表1。
表1 Rv0081蛋白的生物信息學(xué)分析相關(guān)軟件Table 1 Software related to bioinformatics analysis of Rv0081 protein
1.2.1 Rv0081蛋白氨基酸序列的獲取 從NCBI網(wǎng)站獲取Mtb Rv0081蛋白的氨基酸序列(NC_000962.3),該蛋白含114個(gè)氨基酸。經(jīng)BLAST比對(duì),該蛋白氨基酸序列與卡介苗菌株中的Rv0081蛋白氨基酸序列同源性為100%。
1.2.2 Rv0081蛋白的理化性質(zhì)分析 運(yùn)用生物信息學(xué)分析軟件ExPASy中的ProtParam及ProtScale對(duì)蛋白的理化性質(zhì)如氨基酸數(shù)目、消光系數(shù)、等電點(diǎn)、半衰期、不穩(wěn)定系數(shù)及親疏水性進(jìn)行分析。
1.2.3 跨膜區(qū)、信號(hào)肽及亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè) TMHMM、SignalP-5.0 Server預(yù)測(cè)蛋白的跨膜區(qū)及信號(hào)肽,綜合運(yùn)用softberry及WoLF PSORT分析蛋白的亞細(xì)胞定位。
1.2.4 Rv0081蛋白的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 使用SOPMA、DNAStar及SWISS-MODEL分別預(yù)測(cè)蛋白的二、三級(jí)結(jié)構(gòu)。
1.2.5 Rv0081蛋白糖基化及磷酸化位點(diǎn)的預(yù)測(cè) 利用在線軟件NetNGlyc-1.0 Server及NetPhos 3.1 Server預(yù)測(cè)蛋白糖基化及磷酸化位點(diǎn)。
1.2.6 Rv0081蛋白抗原表位的預(yù)測(cè)分析 運(yùn)用DNAstar預(yù)測(cè)蛋白的B細(xì)胞抗原表位,綜合分析蛋白的理化性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、表面可及性、柔韌性及抗原指數(shù)篩選出優(yōu)勢(shì)B細(xì)胞抗原表位。運(yùn)用SYFPEITHI、NetCTL 1.2 Server、Net MHC pan 4.1 server預(yù)測(cè)蛋白的CTL細(xì)胞抗原表位, SYFPEITHI及Net MHCⅡpan 4.0 server預(yù)測(cè)蛋白的Th細(xì)胞抗原表位,綜合分析各軟件預(yù)測(cè)結(jié)果,篩選出評(píng)分均較高的氨基酸序列作為優(yōu)勢(shì)CTL及Th細(xì)胞抗原表位。
結(jié)果顯示Rv0081蛋白分子式為C543H914N160-O163S2,相對(duì)分子質(zhì)量為12 356.32,理論等電點(diǎn)為8.12,主要由亮氨酸(15.8%)、丙氨酸(14.0%)及精氨酸(10.5%)組成。序列中帶正電荷的氨基酸殘基數(shù)為(精氨酸+賴氨酸)16個(gè),帶負(fù)電荷的氨基酸殘基數(shù)為(天冬氨酸+谷氨酸)15個(gè),原子總量為1 782,在A280處消光系數(shù)為2 980,不穩(wěn)定系數(shù)為39.12小于40,表明該蛋白在體外為穩(wěn)定蛋白質(zhì)。在哺乳動(dòng)物體外半衰期為30 h,在酵母菌體內(nèi)半衰期>20 h,在大腸埃希菌體內(nèi)的半衰期>10 h,滿足原核表達(dá)系統(tǒng)的表達(dá)條件,可在體外誘導(dǎo)表達(dá)Rv0081蛋白。親疏水性預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,該蛋白序列總平均親水性為 0.144,序列中位于35位的色氨酸(Ser)親水性最強(qiáng),為-1.414,位于89位的丙氨酸(ALa)疏水性最強(qiáng),為1.67,預(yù)測(cè)結(jié)果與TMPred基本一致,預(yù)測(cè)該蛋白為疏水性蛋白(圖1),提示該蛋白可能以包涵體形式存在于細(xì)菌裂解液中,后期可通過(guò)大腸埃希菌原核表達(dá)系統(tǒng)對(duì)該蛋白存在形式進(jìn)行驗(yàn)證。
圖1 Rv0081蛋白的親疏水性分析Fig.1 Analysis of Hydrophilicity and hydrophobicity of Rv0081
使用TMHMM及SignalP-5.0 Server在線軟件分別對(duì)Rv0081蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)、信號(hào)肽進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示該蛋白具有胞內(nèi)域及胞外域兩個(gè)部分,無(wú)跨膜結(jié)構(gòu)(圖2A),無(wú)信號(hào)肽(圖2B),提示該蛋白屬于非分泌型蛋白,該蛋白進(jìn)入宿主細(xì)胞發(fā)揮調(diào)控作用需借助非經(jīng)典途徑。綜合分析softberry及WoLFPSORT亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果,預(yù)測(cè)該蛋白存在于細(xì)胞質(zhì)中。
圖2 Rv0081蛋白跨膜區(qū)及信號(hào)肽Fig.2 Prediction of Rv0081 transmembrane and signal peptideA:Rv0081蛋白跨膜區(qū)預(yù)測(cè);B:Rv0081蛋白信號(hào)肽預(yù)測(cè)A:The prediction of the transmembrane region of the Rv0081 protein; B:The prediction of the signal peptide of the Rv0081 protein
運(yùn)用SOPMA、DNAStar、SWISS-MODEL對(duì)Rv0081蛋白的二、三級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果顯示Rv0081蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)由74個(gè)α-螺旋(64.91%)、9個(gè)β-轉(zhuǎn)角(7.89%)、21個(gè)無(wú)規(guī)則卷曲(18.42%)及10個(gè)延伸鏈(8.77%)構(gòu)成(圖3),與DNAStar預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致;三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示該蛋白含有大量的α-螺旋及無(wú)規(guī)則卷曲(圖4),與二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果一致。由于α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角及無(wú)規(guī)則卷曲易于扭曲、折疊,較易形成與B細(xì)胞表面受體(BCR)嵌合的結(jié)構(gòu),而該蛋白存在較多上述結(jié)構(gòu),提示該蛋白可能存在較多B細(xì)胞抗原表位。
蛋白的糖基化及磷酸化修飾是重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾,可通過(guò)影響蛋白質(zhì)的電荷狀態(tài)、疏水性、構(gòu)象及穩(wěn)定性而影響其功能。NetNGlyc-1.0分析結(jié)果顯示,Rv0081蛋白在第50位有一個(gè)糖基化位點(diǎn)(圖5A);NetPhos 3.1 Server分析結(jié)果顯示,Rv0081蛋白共存在7個(gè)氨基酸磷酸化位點(diǎn),其中含6個(gè)絲氨酸磷酸化位點(diǎn)及1個(gè)酪氨酸磷酸化位點(diǎn)(圖5B),提示該蛋白可能參與細(xì)胞間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)從而調(diào)控宿主細(xì)胞的功能。
運(yùn)用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)能與Rv0081相互作用的蛋白,結(jié)果顯示與Rv0081相互作用的10個(gè)蛋白評(píng)分從高到低為hycE、hycP、Rv0088、Rv0083、hycD、hycQ、Rv0082、devR、Rv0080、Rv0079(圖6)。通過(guò)分析Rv0081的相互作用蛋白,預(yù)測(cè)Rv0081蛋白可通過(guò)與Toll樣受體(Toll-like receptor, TLR)-2結(jié)合刺激巨噬細(xì)胞和外周血單核細(xì)胞分泌IFN-γ、TNF-α、IL-1β、IL-8等細(xì)胞因子,參與肉芽腫的形成及維持,減少M(fèi)tb的生長(zhǎng),從而控制Mtb在機(jī)體內(nèi)的復(fù)制及傳播;此外,該蛋白還可能與抑制蛋白質(zhì)合成有關(guān)并參與氧化還原反應(yīng)。提示該蛋白可能能增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的抗菌效應(yīng),可作為研發(fā)新型多肽疫苗的候選抗原。
圖6 Rv0081蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Rv0081 protein interaction networks
抗原表位是抗原分子上能與T、B細(xì)胞特異性結(jié)合并刺激其產(chǎn)生能特異性識(shí)別該抗原的致敏淋巴細(xì)胞及抗體的免疫活性區(qū),對(duì)蛋白抗原表位進(jìn)行深入研究并篩選出優(yōu)勢(shì)抗原表位,對(duì)研發(fā)新型結(jié)核疫苗及開(kāi)發(fā)高效診斷試劑具有重要意義。本研究運(yùn)用DNAStar、SYFPEITHI、NetCTL 1.2 Server、NetMHC pan 4.1 Server、NetMHCⅡpan 4.0 Server等生物信息分析軟件對(duì)RV0081蛋白T、B細(xì)胞抗原表位進(jìn)行預(yù)測(cè),綜合分析后篩選出優(yōu)勢(shì)抗原表位。
2.6.1 B細(xì)胞抗原表位預(yù)測(cè) DNAStar 分析結(jié)果顯示,Rv0081蛋白氨基酸存在于表面可能性較大的區(qū)域?yàn)?~7、9~10、30~35、48~52、66~70位氨基酸殘基,其余位置存在于蛋白表面可能性較小;蛋白柔韌性較大易與B細(xì)胞表面抗原受體結(jié)合,形成表位可能性較大的區(qū)域?yàn)?~10、32~54、67~70、105~106、107~111位氨基酸殘基;DNAStar預(yù)測(cè)該蛋白共有11個(gè)B細(xì)胞抗原表位:1~7、9~13、19~25、29~37、40~53、57~61、65~71、79~83、89~93、96~103、105~113位氨基酸殘基(圖7)。綜合分析Rv0081蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)(α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角及無(wú)規(guī)則卷曲)、親水性、柔韌性、表面可及性及抗原指數(shù)篩選出6個(gè)優(yōu)勢(shì)B細(xì)胞抗原表位:1~7、28~37、39~53、57~62、65~71、105~113位氨基酸殘基(表2),提示該蛋白可啟動(dòng)機(jī)體的體液免疫反應(yīng)。
圖7 Rv0081蛋白B細(xì)胞抗原表位預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction ofB cell epitope of Rv0081
表2 Rv0081蛋白優(yōu)勢(shì)B細(xì)胞抗原表位信息Table 2 Information dominant B cell epitope of Rv0081 protein
2.6.2 CTL細(xì)胞抗原表位預(yù)測(cè) 綜合分析多款軟件預(yù)測(cè)結(jié)果可以彌補(bǔ)不同軟件在預(yù)測(cè)過(guò)程中的缺陷,提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此本研究運(yùn)用3種不同的CTL表位分析軟件預(yù)測(cè)Rv0081蛋白HLA-A2*0201、HLA-A3*0301、HLA-B7*0702三種類型的CTL抗原表位(表3),綜合分析三種預(yù)測(cè)結(jié)果后篩選出6個(gè)優(yōu)勢(shì)CTL細(xì)胞抗原表位(表4),提示該蛋白可啟動(dòng)由CD8+T介導(dǎo)的CTL型細(xì)胞免疫反應(yīng)。
表3 Rv0081蛋白CTL細(xì)胞抗原表位預(yù)測(cè)Table 3 Prediction of CTL epitope of Rv0081
表4 Rv0081蛋白優(yōu)勢(shì)CTL細(xì)胞抗原表位信息Table 4 Information dominant CTL cell epitope of Rv0081 protein
2.6.3 Th細(xì)胞抗原表位預(yù)測(cè) 運(yùn)用SYFPEITHI、NetMHC II pan 4.0 Server軟件預(yù)測(cè)Rv0081蛋白HLA-DRB1*0101、HLA-DRB1*0401、HLA-DRB1*0701、HLA-DRB1*1101、HLA-DRB1*1501限制性Th細(xì)胞表位(表5),篩選出NetMHC II pan 4.0 Server預(yù)測(cè)的強(qiáng)結(jié)合表位且SYFPEITHI得分較高的序列作為T(mén)h細(xì)胞優(yōu)勢(shì)抗原表位(表6),提示該蛋白可啟動(dòng)由CD4+T介導(dǎo)的Th型細(xì)胞免疫反應(yīng)。
表5 Rv0081蛋白Th細(xì)胞抗原表位預(yù)測(cè)Table 5 Prediction of Th epitope of Rv0081
表6 Rv0081蛋白優(yōu)勢(shì)Th細(xì)胞抗原表位信息Table 6 Information dominant Th cell epitope of Rv0081 protein
由Mtb感染引起的結(jié)核病是嚴(yán)重危害人類健康的全球性公共衛(wèi)生問(wèn)題。目前全球約有1/4人口為Mtb潛伏感染者,其體內(nèi)潛伏期Mtb的重新激活是結(jié)核病的重要來(lái)源[5]。因此,識(shí)別潛在的Mtb潛伏相關(guān)抗原,以產(chǎn)生抵御潛伏期Mtb的保護(hù)性免疫反應(yīng),對(duì)于設(shè)計(jì)有效的新型結(jié)核疫苗至關(guān)重要。
生物信息學(xué)是由生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科相互交叉融合而成的一門(mén)新興學(xué)科,基于生物信息學(xué)分析工具從全基因水平篩選具有保護(hù)性免疫反應(yīng)的候選抗原表位的反向疫苗學(xué)已被廣泛運(yùn)用于新型多肽疫苗的研發(fā)[16-19]。本研究運(yùn)用生物信息學(xué)技術(shù)對(duì)Mtb潛伏期相關(guān)抗原Rv0081蛋白的生物學(xué)特征及表面抗原進(jìn)行預(yù)測(cè)。分析結(jié)果顯示,Rv0081蛋白為穩(wěn)定的疏水性蛋白、無(wú)跨膜區(qū)及信號(hào)肽,含有1個(gè)糖基化位點(diǎn)及7個(gè)磷酸化位點(diǎn),提示該蛋白屬于非分泌型蛋白,可能參與細(xì)胞間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo);該蛋白能與hycE、hycP、Rv0088、Rv0083、hycD、hycQ、Rv0082、devR、Rv0080及Rv0079等蛋白產(chǎn)生相互作用,可能與抑制蛋白質(zhì)合成及氧化還原反應(yīng)有關(guān),還可通過(guò)與巨噬細(xì)胞和外周血單核細(xì)胞表面的TLR2結(jié)合刺激細(xì)胞產(chǎn)生IFN-γ、TNF-α、IL-1β和IL-8等細(xì)胞因子增強(qiáng)機(jī)體的抗Mtb感染作用;其二級(jí)結(jié)構(gòu)主要由α-螺旋(64.91%)、β-轉(zhuǎn)角(7.89%)和無(wú)規(guī)則卷曲(18.42%)構(gòu)成,提示該蛋白可能含有較多能與B細(xì)胞表面受體相結(jié)合的抗原表位。表面可及性及柔韌性分析結(jié)果顯示,Rv0081蛋白中可能存在于蛋白表面、易發(fā)生扭曲和折疊的氨基酸序列較少,形成B細(xì)胞抗原表位的可能性較小。為提高表位預(yù)測(cè)的特異性、準(zhǔn)確性和適用性,本研究綜合分析Rv0081蛋白的親水性、表面可及性、柔韌性、抗原指數(shù)及二級(jí)結(jié)構(gòu)并篩選出6個(gè)各軟件評(píng)分均較高且存在于無(wú)規(guī)則卷曲及β-轉(zhuǎn)角中的氨基酸序列作為B細(xì)胞優(yōu)勢(shì)抗原表位:1~7、28~37、39~53、57~62、65~71、105~113位氨基酸殘基。
Mtb屬于胞內(nèi)寄生菌,感染早期主要由CD4+T細(xì)胞介導(dǎo)的1型輔助性T細(xì)胞(T helper type 1,Th1)型免疫反應(yīng)發(fā)揮抗感染作用,感染晚期主要由CD8+T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞發(fā)揮細(xì)胞毒作用殺滅吞噬Mtb的巨噬細(xì)胞,啟動(dòng)由T細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫反應(yīng)是防御Mtb感染的重要途徑。研究表明,蛋白質(zhì)抗原不能通過(guò)其完整的分子發(fā)揮功能,而是通過(guò)其表位分子反映抗原特異性,T細(xì)胞表位是觸發(fā)表位特異性保護(hù)性T細(xì)胞免疫反應(yīng)的基礎(chǔ),也是研發(fā)和設(shè)計(jì)新型結(jié)核疫苗、診斷試劑和治療藥物的關(guān)鍵[11,20-23]。聯(lián)合應(yīng)用多個(gè)MHC限制性表位可誘導(dǎo)針對(duì)不同HLA基因位點(diǎn)的T細(xì)胞免疫反應(yīng),拓寬免疫反應(yīng)人群[24]。HLA-A2*0201、HLA-A3*0301、HLA-B7*0702是最常見(jiàn)的MHC-Ⅰ類分子[25-27],與蛋白表面抗原結(jié)合后啟動(dòng)機(jī)體細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(cytotoxic T lymphocyte, CTL)型免疫反應(yīng)。本研究運(yùn)用3種不同的CTL表位預(yù)測(cè)軟件對(duì)Rv0081蛋白的HLA-A2*0201、HLA-A3*0301、HLA-B7*0702表位進(jìn)行預(yù)測(cè),綜合分析各軟件預(yù)測(cè)結(jié)果后篩選出6個(gè)優(yōu)勢(shì)CTL細(xì)胞抗原表位:77~85、96~104、28~36、87~95、24~32、92~100位氨基酸殘基。HLA-DRB1*0101、HLA-DRB1*0401、HLA-DRB1*0701、HLA-DRB1*1101及HLA-DRB1*1501是最常見(jiàn)且研究較為廣泛的MHCⅡ類分子[28-30],與抗原表位結(jié)合后啟動(dòng)Th1型免疫反應(yīng)。本研究運(yùn)用SYFPEITHI、NetMHCⅡpan 4.0 預(yù)測(cè)Rv0081蛋白的Th細(xì)胞表位,綜合分析兩個(gè)軟件預(yù)測(cè)結(jié)果后篩選出評(píng)分均較高的序列作為優(yōu)勢(shì)抗原表位,共篩選出7個(gè)優(yōu)勢(shì)Th細(xì)胞抗原表位:71~85、10~24、55~69、98~112、10~24、83~97、82~96位氨基酸殘基。
本研究結(jié)果表明理論分子量為12 356.32的Rv0081蛋白為穩(wěn)定蛋白質(zhì),可在體外誘導(dǎo)表達(dá),且含有多個(gè)潛在的B、T細(xì)胞抗原表位,其中28~37位氨基酸殘基為B細(xì)胞及CTL細(xì)胞共同優(yōu)勢(shì)抗原表位,55~69及98~112位氨基酸殘基為B細(xì)胞及Th細(xì)胞共同優(yōu)勢(shì)抗原表位,71~85、82~96、83~97位氨基酸殘基為T(mén)h細(xì)胞及CTL細(xì)胞共同優(yōu)勢(shì)抗原表位,以這些共同表位為基礎(chǔ)合成的多肽疫苗可同時(shí)啟動(dòng)機(jī)體的體液免疫及細(xì)胞免疫,還可對(duì)不同感染階段的Mtb進(jìn)行殺傷[31],從而更好地控制Mtb在體內(nèi)的存活。這些結(jié)果共同表明,Rv0081蛋白可作為研發(fā)預(yù)防潛伏期Mtb重新激活的新型結(jié)核疫苗的候選優(yōu)勢(shì)抗原。今后,將通過(guò)免疫實(shí)驗(yàn)(如ELISA)進(jìn)一步驗(yàn)證所篩選出的優(yōu)勢(shì)抗原表位,為新型結(jié)核疫苗的研制提供參考。