摘 要: 為了揭示視黃醇結(jié)合蛋白(RBP4)在肝細胞癌(LIHC)中的功能作用,對RBP4的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)進行了分析?;诠矓?shù)據(jù)庫明確了RBP4在正常組織和LIHC中的表達,分析了其與LIHC患者的病理狀態(tài)與臨床生存預(yù)后的關(guān)系。結(jié)果顯示:RBP4的等電點(pI)為5.76,其β-桶核心是視黃醇的結(jié)合中心,親水性強,具有一個信號肽;RBP4在正常肝組織中的表達高于LIHC,并且高表達RBP4有更好的預(yù)后生存率(log rank Plt;0.001);RBP4的表達可能會緩解LIHC的進展,也可作為潛在生物標志物應(yīng)用于LIHC的臨床診斷與預(yù)后中。
關(guān)鍵詞: 視黃醇結(jié)合蛋白;生物信息學(xué);肝細胞癌
中圖分類號: Q291
文獻標識碼: A 文章編號: 2096-3998(2024)03-0070-07
自發(fā)現(xiàn)過表達人源視黃醇結(jié)合蛋白4(retinol-binding protein 4,RBP4)能導(dǎo)致小鼠胰島素抵抗以來,RBP4就引起了廣泛關(guān)注[1-3]。近年來,一些研究表明RBP4作為一種脂肪因子,其異常表達與包括肥胖、胰島素抵抗、2型糖尿病、肝臟脂肪變性和脂肪性肝炎在內(nèi)的代謝性疾病息息相關(guān)[4-5]。此外,有證據(jù)表明代謝紊亂會增加罹患癌癥的風險,尤其是肝癌[6]。肝細胞癌(liver hepatocellular carcinoma,LIHC)是導(dǎo)致肝硬化患者死亡的主要事件[7]。通過對慢性肝病風險因素的控制,可以有效預(yù)防LIHC的發(fā)生。盡管手術(shù)切除和肝移植延長了LIHC患者的生存期,但是由于術(shù)后復(fù)發(fā)和耐藥性問題導(dǎo)致治療結(jié)果仍不令人滿意[8]。因此,識別LIHC的分子基因可為降低患者死亡率和探索新的治療方法提供重要思路。最近,一些基于生物信息學(xué)分析的研究已經(jīng)從公共數(shù)據(jù)庫中篩選出候選基因,并確定出了與LIHC的進展和預(yù)后相關(guān)的核心基因[9-11]。STEINHOFF[12]研究發(fā)現(xiàn),RBP4主要來源于肝臟,其與肝細胞癌的關(guān)系也受到了密切關(guān)注。WANG[13]研究表明,RBP4水平可以作為肝細胞癌治愈性切除后的預(yù)后因素。然而,基于目前的臨床指標,對個別肝細胞癌患者的準確診斷方面仍存在著許多挑戰(zhàn)。
本研究旨在通過對RBP4的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)分析,進而采用生物信息學(xué)方法分析大數(shù)據(jù)下RBP4在肝細胞癌中的功能作用。
1 材料和方法
1.1 RBP4結(jié)構(gòu)分析
Uniport數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/uploadlists/)是蛋白質(zhì)序列、功能、分類、交叉引用和其他信息的訪問中心。根據(jù)基因symbol獲得RBP4在Uniport上的登錄號(P02753),獲得RBP4的一級結(jié)構(gòu)、等電點等其他信息。PSIPRED(http://bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred/)是一個使用兩級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的工具。
1.2 RBP4理化性質(zhì)分析
ExPASy(https://www.expasy.org/)是一個大規(guī)模的綜合在線工具,是生物信息學(xué)的在線工具的集合。其中ProtScale工具可以分析RBP4蛋白氨基酸位點的親水性和疏水性。親水指數(shù)的計算采用Hob/Kyte amp; Doolittle原則,正值表示疏水得分,負值表示親水得分。
TMHMM2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM)是一個用于預(yù)測分析蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)域的工具。SignalP(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)是目前使用最廣泛的在線信號肽預(yù)測軟件。
1.3 RBP4的表達分析
基于UALCAN數(shù)據(jù)庫(http://ualcan.path.uab.edu)分析了RBP4在LIHC中的表達情況,包括泛癌及其LIHC臨床階段的表達模式及其關(guān)系,以Plt;0.01為差異極顯著,用**表示。蛋白質(zhì)的表達水平數(shù)據(jù)來自于人類蛋白質(zhì)圖譜(Human Protein Atlas,HPA,https://www.proteinatlas.org/)。
1.4 RBP4的生存分析
Kaplan Meier-plotter(https://kmplot.com/analysis/)是一個常用于評估基因?qū)ι嬗绊懙木W(wǎng)站工具,其數(shù)據(jù)來源基于歐洲基因組表型檔案館(European Genome-Phenome Archive,EGA)、腫瘤基因組圖譜(The Cancer Genome Atlas Program,TCGA)數(shù)據(jù)庫和基因表達數(shù)據(jù)庫(Gene Expression Omnibus,GEO)(僅Affymetrix微陣列)。
2 結(jié)果與分析
2.1 RBP4的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)
為深入了解RBP4的生物學(xué)功能,對RBP4的基因結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進行了分析?;赨niProt數(shù)據(jù)庫中人RBP4(登錄號P02753)的一級結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其亮氨酸(Leu)的比例最高,占總氨基酸的9.5%,組氨酸(His)的比例最低,僅為1.0%。RBP4的等電點(pI)為5.76,分子式為C1019H1564N284O304S11,預(yù)測其分子量為3.182 kDa,帶負電荷的殘基(Asp+Glu)數(shù)量為28,帶正電荷的殘基(Arg+Lys)數(shù)量為26。
RBP4蛋白二級結(jié)構(gòu)中元件包含α螺旋、β折疊和無規(guī)則卷曲。其中主要有兩股α螺旋體(粉紅色區(qū)域),分別位于2—18位點和175—190位點。β折疊主要有7股(黃色區(qū)域),分別在40—47、57—65、71—79、85—96、103—108、132—139和150—156位點(圖1A)。RBP4的三維結(jié)構(gòu)是單一的球形,直徑為40 (圖1B)[14],其最明顯的特征是由八條上下反向平行β片層組成的β-桶核心,桶的一端封閉,另一端向溶劑開放,視黃醇位于中間。
疏水性分析顯示,RBP4蛋白有1個疏水區(qū)(10號位點)和6個親水區(qū),其中親水性最強的是195號位點(圖2A)。RBP4沒有跨膜結(jié)構(gòu)域(圖2B)。而RBP4蛋白中的信號肽位于18號位點(圖2C)。包含21個磷酸化位點、9個絲氨酸位點、6個蘇氨酸位點和6個酪氨酸位點(圖2D)。綜上,RBP4總體呈親水性,具有一個信號肽,有10%的磷酸化位點的蛋白質(zhì)。
2.2 RBP4基因在肝細胞癌臨床病理中的表達
前期研究發(fā)現(xiàn),RBP4在體內(nèi)是視黃醇的轉(zhuǎn)運蛋白,為了進一步驗證RBP4水平與各類癌癥之間的相關(guān)性。首先使用TCGA數(shù)據(jù)庫獲取RBP4基因在人類癌癥中的表達水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn),RBP4基因在LIHC中的表達水平遠遠高于其他癌癥(圖3A)。進一步研究分析發(fā)現(xiàn),RBP4的表達與LIHC患者的腫瘤分級密切相關(guān),與正常組織相比,肝細胞癌早期(Stage1)、中期(Stage2)、晚期(Stage3)和終末期(Stage4)的RBP4表達顯著低于對照組(Plt;0.01)(圖3B)。此外,RBP4基因表達還與LIHC的分化程度顯著相關(guān),肝細胞癌中分化期(Grade2)、低分化期(Grade3)和未分化期(Grade4)的RBP4表達顯著低于對照組(Plt;0.01)。而RBP4在肝細胞癌中分化期、低分化期和未分化期的表達水平無統(tǒng)計學(xué)差異(Pgt;0.05)(圖3C)。同時發(fā)現(xiàn),RBP4表達在未發(fā)生淋巴轉(zhuǎn)移的病例中顯著低于正常肝組織(Plt;0.01)(圖3D)。
2.3 RBP4表達及其生存分析
Kaplan-Meier Plotter數(shù)據(jù)庫中RBP4在LIHC中的研究樣本為364例。RBP4在肝細胞癌中的表達與生存分析如圖4所示。分析總生存率發(fā)現(xiàn),RBP4高表達與患者的高生存率顯著相關(guān),而且這種趨勢能一直持續(xù)80個月(log rank Plt;0.001,圖4A)。由圖4B可知,RBP4在LIHC和纖維板層肝細胞癌中的表達顯著低于正常肝組織(Plt;0.01),而膽管肝細胞癌與正常肝組織的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.557)。此外,與正常肝組織相比,RBP4在LIHC中的表達明顯降低(圖4C)。TCGA的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,正常肝組織中和LIHC組織中的表達具有顯著差異性(Plt;0.01)。進一步分析后發(fā)現(xiàn),LIHC的組織學(xué)亞型是影響RBP4表達的主要因素之一。
3 討論與結(jié)論
RBP4是機體內(nèi)視黃醇的轉(zhuǎn)運蛋白,與視黃醇形成復(fù)合物以穩(wěn)定視黃醇的結(jié)構(gòu),負責將視黃醇從肝臟運輸?shù)酵庵芙M織[15],從而維持視黃醇在體內(nèi)的正常代謝和功能。STEINHOFF[16]預(yù)測發(fā)現(xiàn),人RBP4的三級結(jié)構(gòu)中的β-桶中心是結(jié)合視黃醇的關(guān)鍵位置。正常生理狀態(tài)下,RBP4主要是肝細胞的一種分泌蛋白,這一特點與RBP4沒有跨膜區(qū)域且具有一個信號肽的預(yù)測結(jié)果是一致的。此外,研究發(fā)現(xiàn)RBP4有10%的磷酸化位點,這些位點的磷酸化修飾可以使人RBP4的構(gòu)象更穩(wěn)定,同時也有助于RBP4參與細胞信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[17]。對RBP4的結(jié)構(gòu)組成和理化性質(zhì)進行分析,有助于RBP4的后續(xù)研究。目前對RBP4基因結(jié)構(gòu)的研究大多數(shù)集中在單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNPs)方面[18-20],這些研究表明RBP4的SNPs能影響其表達水平,進而導(dǎo)致機體的代謝紊亂,并增加癌癥產(chǎn)生或癌癥死亡風險。因此,RBP4不僅在蛋白質(zhì)水平上參與了LIHC,而且在基因表達中也有作用。
研究發(fā)現(xiàn),RBP4在LIHC中呈低表達,這可能與肝細胞的功能受損有關(guān),而且RBP4的表達與LIHC發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。因此,RBP4基因可作為肝癌潛在生物標志物[21],其與AFP的聯(lián)合可以提高肝癌高危人群的肝癌細胞檢測效率[22]。為了確定RBP4在肝癌中的功能作用,利用生物信息學(xué)研究了RBP4表達與LIHC臨床特征及預(yù)后關(guān)系。結(jié)果顯示,RBP4在正常肝臟中的表達高于LIHC(Plt;0.01),且蛋白質(zhì)水平也有同樣的趨勢。同時,Kaplan-Meier生存曲線顯示,高表達RBP4與生存率顯著相關(guān)(log rank Plt;0.001)。另外,RBP4的表達與LIHC的分期、病理分級和淋巴轉(zhuǎn)移都密切相關(guān)。這表明RBP4的正常表達有可能抑制LIHC的發(fā)生和進展,并推斷RBP4可能是LIHC的潛在生物標志物。為了證明該推斷,我們跟蹤了與RBP4表達相關(guān)的其他基因,其中載脂蛋白A2(apolipoprotein A2,APOA2)由肝臟產(chǎn)生,是高密度脂蛋白(HDL)中豐度較高的載脂蛋白,在脂質(zhì)代謝中起重要作用,也參與血漿葡萄糖穩(wěn)態(tài)、淀粉樣變性等過程,可用于胰腺癌的早期篩查[23-24]。APOA2已經(jīng)被確定為肝細胞癌和膽管癌之間的關(guān)鍵基因[25]。而載脂蛋白A3(apolipoprotein A3,APOA3)可能是乙肝病毒相關(guān)肝癌的潛在預(yù)后生物標志物[6,26]。載脂蛋白H(apolipoprotein H,APOH)是一種豐富的血漿蛋白,產(chǎn)生于肝細胞,由5個結(jié)構(gòu)域組成[27],并在多種生物過程中作為補體調(diào)節(jié)劑,如抗磷脂綜合征(APS)、促凝狀態(tài)、糖尿病和免疫系統(tǒng)紊亂[28-30],且優(yōu)于血清生物標志物甲胎蛋白(alpha fetoprotein,AFP),上述基因在LIHC中都發(fā)揮重要作用,這表明RBP4可能會協(xié)同這些基因?qū)IHC的分期和分化過程產(chǎn)生影響。
同時,MULLEN[31]研究發(fā)現(xiàn)RBP4主要參與調(diào)節(jié)膽固醇代謝途徑,而膽固醇及其代謝產(chǎn)物是促進腫瘤發(fā)展的信號分子。這些分子在腫瘤微環(huán)境中與炎癥等其他信號通路相互作用,共同調(diào)控癌細胞中的膽固醇代謝[32]。更為重要的是,在肺癌和前列腺癌中證實了膽固醇積聚是誘發(fā)腫瘤形成的關(guān)鍵因素之一[33-34]。而膽固醇在線粒體的積累會導(dǎo)致癌細胞表現(xiàn)出抗凋亡的能力[35-36]。由于膽固醇代謝的異常與癌癥的發(fā)展及惡化密切相關(guān),因此RBP4可能通過參與膽固醇代謝途徑,進而影響LIHC的進程。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對RBP4功能的認識,也為LIHC的研究和治療提供了新的角度。未來研究可進一步探索RBP4與膽固醇代謝通路中的關(guān)鍵分子和信號通路,以揭示其影響LIHC進程的具體分子機制,為LIHC的診斷和治療提供潛在的靶點。
綜上所述,人RBP4的β-桶中心與視黃醇的運輸息息相關(guān),而具有10%的磷酸化位點可以使其結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn),RBP4在LIHC中呈低表達,RBP4的正常表達可能會影響APOA2、APOA3、APOH基因,從而抑制LIHC的發(fā)生和進展,RBP4也可以通過膽固醇代謝途徑進而影響LIHC的進程,因此RBP4可作為LIHC潛在的生物標志物,應(yīng)用于LIHC的臨床診斷與預(yù)后分析。
[ 參 考 文 獻 ]
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[責任編輯:李 莉]
Functional role of RBP4 in liver hepatocellular carcinoma based on bioinformatics analysis
NIE Saiya WANG Yichuan HAO Xu DONG Qiqi CHENG Jia1,2,3
Abstract: To investigate the function of retinol-binding protein 4 (RBP4) in liver hepatocellular carcinoma (LIHC). The study firstly analyzed the structure and physicochemical properties of RBP4. Secondly, RBP4 expression profile was compared between normal tissue and LIHC based on the database. And then, the relationship between RBP4 expression levels and clinical survival prognosis of LIHC patients was shown. The results show that RBP4 has an isoelectric point (pI) of 5.76, and its β-barrel core is the binding center of retinol, which is highly hydrophilic and has a signal peptide. The expression of RBP4 is higher in normal liver tissues than in LIHC, and the higher expression of RBP4 has better prognostic survival (log rank Plt;0.001). The expression of RBP4 may alleviate the progression of LIHC and may also be used as one of the potential biomarkers for clinical diagnosis and prognosis of LIHC.
Key words: retinol-binding protein 4; bioinformatics; liver hepatocellular carcinoma
收稿日期:2023-08-23 修回日期:2023-12-29
基金項目:秦巴生物資源與生態(tài)環(huán)境省部共建重點實驗室(培育)“市校共建”科研專項項目(SXC-2101)
*通信作者:程佳(1983—),女,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士,副教授,主要研究方向為功能基因的細胞生物學(xué)。
引用格式:聶賽婭,汪一川,郝旭,等.基于生物信息學(xué)分析RBP4在肝細胞癌中的功能作用[J].陜西理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2024,40(3):70-76.