基于VHSE结构表征的蛋白酶体酶切位点预测及酶切特异性研究

摘要

泛素-蛋白酶体系统(Ubiquitins-proteasome systems，UPS)在真核生物的蛋白质降解代谢中发挥着关键作用，主要负责降解突变、错误折叠和氧化损伤的蛋白质和多肽。近年来的研究发现：UPS通过识别和降解半衰期相对较短的调控蛋白，从而在细胞周期等关键进程中发挥重要的调控作用，同时也与细胞免疫和肿瘤等疾病的发生与发展密切相关。在UPS蛋白质降解通路中，其核心环节就是蛋白酶体对底物蛋白的选择性酶切作用，因此研究蛋白酶体的选择性酶切机理对于探索细胞周期调控、细胞免疫及相关疾病机理均具有重要的理论意义。
　　 本文从AntiJen和IEDB数据库中收集整理得到的2650个MHC-I配体、859个T细胞表位和489个体外(in vitro)酶切产物的序列信息出发，采用基于氨基酸物理化学性质的VHSE(principal component score vector of hydrophobic，steric，and electronicproperties)描述子对上述3组序列进行结构表征，在此基础上应用支持向量机(support vector machine，SVM)结合多元逐步回归(multiple stepwise regression，MSR)变量筛选技术，分别建立起组成型+免疫型蛋白酶体酶切、免疫型蛋白酶体酶切和体外酶切位点预测的定量构效关系(Quantitative structural-activity relationship，QSAR)模型，并结合3种预测模型对蛋白酶体酶切机理及底物选择特异性进行了深入的比较和分析。研究结果显示：本文所建的预测模型优于已有模型，其不仅具有较高的预测准确性，同时具有可解释性。
　　 本文主要研究结果：
　　 ①基于2650个MHC-I配体信息的酶切位点预测模型(SVMMHC-I)：该预测模型可反映组成型和免疫型蛋白酶体共同的酶切特性，其最优模型参数为：Acc=81.48％，Sen=85.80％，Spe=76.93%，MCC=_0.6306，AUC=0.8850。结果显示：影响酶切的底物氨基酸性质由大到小依次为：疏水性、电性和立体特征；P9，P8，P4，P1，P3’，P4’和P5’氨基酸位对酶切有重要影响，尤其是P1，P8和P5’的疏水性质影响更为显著；酶切位点上下游的“疏水势差”有利于酶切的进行。此外，P1和P5’的电性和立体几何性质对酶切亦有重要影响。
　　 ②基于859个T细胞表位信息的酶切位点预测模型(SVMTCE)：该预测模型反映了免疫型蛋白酶体酶切特性，其最优模型参数为：Acc=81.77％，Sen=86.35％，Spe=75.20％，MCC=0.6411，AUC=0.8840。结果显示：P1位氨基酸残基的疏水性对免疫型蛋白酶体酶切特异性影响显著加强，其上的疏水性残基容易被免疫亚基活性位点识别，有利于蛋白酶体对底物的酶切；酶切位点邻近氨基酸表现出明显的选择特异性，尤其是P9，P8，P3，P4，P2’，P4’和P5’等位点上氨基酸残基的选择特异性，可能反映了蛋白酶体酶切时底物残基与活性位点相关残基问的相互作用，维持底物在活性腔中的结合稳定性。
　　 ③基于489个体外酶切产物信息的酶切位点预测模型(SVMVITRO)：该预测模型反映了蛋白酶体在体外的酶切特异性，其最优模型参数为：Acc=76.990%，Sen=84.66%，Spe=69.31％，MCC=0.5463，AUC=0.8410。结果显示：疏水性对酶切位点的选择特异性影响最大，而电性和立体效应次之，尤其是P1位氨基酸的疏水性影响最为显著。此外，我们发现酶切位点上游的氨基酸大多为疏水性氨基酸，而下游则以亲水性氨基酸为主。此外，P3，P2，P1和P1’位残基的电性特征(VHSE5)有利于酶切，而P9，P7和P6位残基的电性特征对酶切不利。
　　 ④应用上述3个模型对Saxova等提供的测试集进行外部预测，模型的Sen，Spe和MCC依次为：83.2％，62.5％，0.47；87.1％，49.5％，0.39；83.7％，61.4％，0.46。结果显示，3个模型的外部预测结果均优于目前蛋白酶体酶切位点预测方法中整体预测性能最好的NetChop2.0版(Sen=73.6％，Spe=42.4％，MCC=0.16)。
　　 ⑤从3个酶切模型的比较和分析中发现：不同类型的蛋白酶体酶切特异性存明显的共性：(1)与酶切位点选择性相关的氨基酸性质由大到小依次为疏水性、电性和立体特征；(2)对酶切特异性影响最大是P1位氨基酸残基，其次是P5’位氨基酸残基；(3)酶切位点上下游氨基酸残基间存在的“疏水势差”有利于酶切的顺利进行。与此同时，3个酶切模型也存在一定的差异。以最优模型SVMTCE和SVMVITRO反映的蛋白酶体酶切特性为例，免疫型蛋白酶体增强了其从疏水性残基后酶切底物的选择偏好；而相对于免疫型蛋白酶体，底物残基的空间位阻效应对组成型蛋白酶体体外酶切时的选择特异性影响相对减弱。