Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết tiến hành phân tích 7 đột biến thay thế amino axít được tìm thấy trên gen CXCL1. Trong đó, 5 đột biến điểm được phát hiện và 2 đột biến mới vừa công bố gần đây liên quan đến hiện tượng phơi nhiễm asen của nhóm nghiên cứu.
TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 Comment [ĐhCn1]: NGHIªN CỨU MỘT SỐ ĐỘT BIẾN THAY THẾ AMINO AXÍT (MISSENSE MUTATION) TRÊN GEN CXCL1 Ở NGƢỜI BỊ PHƠI NHIỄM ASEN Lê Bắc Việt1*; Trần Phương Thảo*; Tạ Thị Bình** Nguyễn Khắc Hải**; Nguyễn Huy Hồng* TĨM TẮTT Ngày nay, bệnh di truyền gây đột biến gen ngày trở nên phổ biến Trong đó, biến thể di truyền gây thay đổi nuclotid trình tự gen dẫn đến thay amino axít trình tự protein gọi đột biến thay amino axÝt (missense mutation) Loại đột biến có khả gây tác động mạnh đến tính ổn định mạng lưới liên kết hydro, liên kết lực cấu trúc, hoạt tính số đặc tính quan trọng khác protein Ngồi ra, chúng liên quan đến điều kiện bệnh lý tính nhạy cảm bệnh trình điều trị thuốc Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm tin sinh học để mơ hình hóa cấu trúc khơng gian 3D protein, từ đưa số dự đốn ảnh hưởng tác động đột biến phát gen CXCL1, có hai đột biến liên quan đến tượng phơi nhiễm asen P67T A76T Qua hiểu thêm mối tương quan cấu trúc chức protein mã hóa gen CXCL1 * Từ khóa: Bệnh di truyền; Cấu trúc không gian 3D protein; Đột biến điểm; Gen CXCL1; Phơi nhiễm asen INVESTIGATION OF SOME MISSENSE MUTATIONS OF THE CXCL1 GENE IN ARSENIC EXPOSURE INDIVIDUALS SUMMARY Nowadays, genetic diseases caused by mutagenesis become more and more abundant Of which, genetic variants that lead to change of only one nucleotide in a gene sequence resulting in substitutions of one amino acid in a protein sequence, called by missense mutations.That kind of mutation can have a dramatic effect on stability, hydrogen bond network, structure, activity and some other characteristics of protein Moreover, they are involved in many pathological conditions, disease susceptibility and drug treatment In this study, based on some bioinformatics softwares about protein three-dimesion (3D) crystal modelling, we brought out predictions about effects and influences of all seven missense mutations of the CXCL1 gene, of which two mutations (P67T and A76T) that relate to arsenic exposure were recently detected As the result, it is possible to understand much more about the relationships between genotype and phenotype of protein encoding by the CXCL1 gene * Key words: Genetic diseases; Protein 3D structure modelling; Missense mutations; The CXCL1 gene; Arsenic exposure * Viện Nghiên cứu Hệ Gen, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ** Viện Y học Lao động Vệ sinh Môi trường Người phản hồi (Corresponding): Nguyễn Huy Hoàng (nhhoang@igr.ac.vn) Ngày nhận bài: 25/12/2013; Ngày phản biện đánh giá báo: 20/1/2014 Ngày báo đăng: 21/1/2014 56 TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 ĐẶT VẤN ĐỀ Những sai khác trình tự ADN người gây biến thể biểu ngồi kiểu hình tác dụng đến nhạy cảm bệnh tật, phản ứng với thay đổi mơi trường q trình điều trị thuốc [2] Những biến thể di truyền bao gồm thay đổi vài nucleotid, trường hợp thứ hai gọi “đa hình đơn nu” hay SNP (single nucleotide polymorphism) Về mặt kỹ thuật, đa hình thể biến thể ADN tìm thấy > 1% cộng đồng dân cư sống vùng [2] SNP dạng biến thể di truyền phổ biến người [3] xảy thường xuyên với tần xuất 1/1.200 base cộng đồng người [5] Trong đó, SNP thường xảy vùng khơng mã hóa ADN genome [2], ngược lại, SNP xảy vùng mã hóa gây thay đổi trình tự amino axít protein, hay gọi thay amino axít gây đột biến dừng dịch mã (nonsense mutation)/cắt cụt protein (truncation mutation) [4] Những biến thể di truyền xảy allen phụ có tần suất < 0,5 - 1% cộng đồng dân cư đột biến gặp [6] Ảnh hưởng mặt chức protein đột biến gặp chủ đềể nhiều cơng trình nghiên cứu gần với mục tiêu hiểu rõ vai trò đột biến gặp nhiều loại tính trạng với [7] Sự cần thiết phải tìm hiểu tác động đột biến thay amino axít trở nên rõ ràng xem xét đến bệnh di truyền Chỉ cần thay đổi amino axít trình tự dẫn đến loạt sai khác q trình chuyển hóa thể gây bệnh Chúng ảnh hưởng trực tiếp lên cấu trúc đại phân tử protein, cấu trúc bậc 2, mạng lưới liên kết hydro, làm giảm tính ổn định hoạt tính protein [9] Từ đó, phương pháp tin sinh học nhằm phân tích ảnh hưởng đột biến thay amino axÝt lên hoạt tính protein phát triển dựa vào mơ hình cấu trúc không gian 3D protein với mục tiêu đưa mối liên quan đột biến nhạy cảm bệnh Trong nghiên cứu này, tiến hành phân tích đột biến thay amino axít tìm thấy gen CXCL1 Trong đó, đột biến điểm phát [8] đột biến vừa công bố gần liên quan đến tượng phơi nhiễm asen nhóm nghiên cứu [9] Bên cạnh liên quan đến tượng phơi nhiễm asen, đột biến gen CXCL1 có khả gây ung thư cao thông qua việc tạo khối u ác tính ung thư phổi, ung thư vú, ung thu buồng trứng, ung thư tuyến tiền liệt, ung thư bàng quang… [10] Do dó, kết phân tích có ý nghĩa dự đốn ảnh hưởng đột biến lên cấu trúc protein mức độ nhạy cảm bệnh di truyền hay ung thư khác NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nguyên liệu nghiên cứu Những mẫu bệnh nhân chẩn đoán phơi nhiễm asen trước sinh phương pháp xét nghiệm lấy dựa theo nghiên cứu trước gen CXCL1 Trần Phương Thảo CS [9] Sử dụng trình tự amino axít protein CXCL1, CXCL2, CXCL3 người từ website http://www.ensembl.org Ngồi ra, trình tự amino axít CXCL1, CXCL2, CXCL3 số loài khác chuột, khỉ, lợn thu thập để so sánh trình tự với mục đích tìm amino axst có độ tương đồng cao loài với amino axít có tính bảo thủ protein CXCL Bảng 1: Đột biến thay amino axít phát gen CXCL1 58 Formatted: Indent: First line: 0.5 cm, Space Before: pt, Line spacing: Multiple 1.15 li Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold, Expanded by 0.2 pt Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold, Expanded by 0.2 pt Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold, Italic Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5 pt, Not Bold TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 MMDB thuộc website NCBI mã số “1MSG” [11] c.115A > G p.T39A c.152G > A p.G51E c.190T > C p.S64P c.217G > A p.E73K c.237G > T p.K79N g.1124G > A p.A76T g.984C > A p.P67T Mơ hình cấu trúc protein CXCL1 sử dụng từ liệu Structure Summary Formatted: Indent: First line: 0.5 cm, Line spacing: Multiple 1.19 li Formatted: Indent: First line: 0.5 cm, Space Before: pt Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phần m ềm ClustalW (http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/) để so sánh trình tự amino axít Phần mềm tin sinh học spdbv 4.10 ViewerLite 4.2 sử dụng để mơ cấu trúc phân tích ảnh hưởng đột biến thay amino axít gen CXCL1 Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Expanded by 0.1 pt, Highlight Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN So sánh trình tự amino axít Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight β1 monCXCL1 MARAALSAAPSNPRFLQVALLLLLLVATSRRAAGASVVTELRCQCLQTLQGIHPKNIQSV 60 monCXCL3 MARAALSAAPSNPRLLRVALLLLLLVASGQRAAGAPVATELRCQCLQTLQGIHPKNIQSV 60 hCXCL3 MAHATLSAAPSNPRLLRVALLLLLLVAASRRAAGASVVTELRCQCLQTLQGIHLKNIQSV 60 hCXCL1 MARAALSAAPSNPRLLRVALLLLLLVAAGRRAAGASVATELRCQCLQTLQGIHPKNIQSV 60 hCXCL2 Formatted: Font: (Default) Arial, pt, Highlight Formatted Formatted Formatted Formatted MARATLSAAPSNPRLLRVALLLLLLVAASRRAAGAPLATELRCQCLQTLQGIHLKNIQSV 60 Formatted pCXCL2 MASAAIAASPCAPRFLRAALLLLLLVAAGRRTAGAPVGGELRCQCLQTVQGIHLKNIQDL 60 Formatted mouCXCL1 - MIPATRS L L C A A L L LL -AT SRL ATG A P I A N ELRCQCLQTMAGIHLKNIQSL 50 Formatted Formatted Formatted * :* ***** *:.: ::**.: β2 *********: *** ****.: α-helix monCXCL1 NVKAPGPHCADTEVIATLKNGQKACLNPASPMVQKIIKKMLN - 102 Formatted monCXCL3 IVKAPGPHCAETEVIATLKNGQKACLNPASPMVQKIIEKILNKGSTG 107 Formatted hCXCL3 NVRSPGPHCAQTEVIATLKNGKKACLNPASPMVQKIIEKILNKGSTN 107 Formatted hCXCL1 NVKSPGPHCAQTEVIATLKNGRKACLNPASPIVKKIIEKMLNSDKSN 107 Formatted KVKSPGPHCAQTEVIATLKNGQKACLNPASPMVKKIIEKMLKNGKSN 107 Formatted Formatted Formatted Formatted Formatted Formatted Formatted Formatted Formatted Formatted hCXCL2 pCXCL2 mouCXCL1 KVTSPGPHCDQTEVIATLKNGQEVCLNPSAPMVKKIIEKMLNKSSAN 107 KVLPSGPHCTQTEVIATLKNGREACLDPEAPLVQKIVQKMLKGVPK- 96 * **** :**********::.**:* :*:*:**::*:*: Hình 1: So sánh trình tự amino axít CXCL1, CXCL2 CXCL3 số lồi động vật h: người (human); mon: khỉ (monkey); mou: chuột (mouse); p: lợn (pig) (Những vị trí xảy đột biến inm đậm, amino axít có độ tương đồng cao bôi đen Bôi đỏIn nghiêng xoắn α-helix Gạch chân gấp nếp β) 59 TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 vùng có trình tự amino axít tương đồng cao chứa cấu trúc gấp nếp β1 β2, đó, vùng lớn lên đến 24 amino axít coi vùng bảo thủ họ protein CXCL (hình 1) Do vậy, đột biến nằm vùng bảo thủ ảnh hưởng định lên cấu trúc chức protein CXCL1 Kết so sánh trình tự amino axit CXCL1, CXCL2 CXCL3 lồi với vùng có trình tự amino axit tương đồng cao chứa cấu trúc gấp nếp β1 β2, có vùng lớn lên đến 24 amino axit coi vùng bảo thủ họ protein CXCL (hình 1) Do vậy, đột biến nằm vùng bảo thủ có ảnh hưởng định lên cấu trúc chức protein CXCL1 Mơ hình cấu trúc protein CXCL1 Sau so sánh trình tự trình tự amino axít protein CXCL1, chúng tơi tiến hành phân tích mơ hình khơng gian 3D protein với khn mẫu mơ hình CXCL1 người Kim CS xây dựng thành cơng Mơ hình cấu trúc bậc protein với vị trí amino axit đột biến thể hình Gen CXCL1 người có kích thước khoảng 1.6 kb mã hóa cho 107 amino axít Trong nghiên cứu xây dựng khn mẫu protein CXCL1, nhóm tác giả cắt bỏ 34 amino axít exon mà khơng làm ảnh hưởng đến hoạt tính protein, trình bình thường nghiên cứu xây dựng hình mẫu khơng gian 3D protein Trong đột biến thay (T39A, G51E, S64P, E73K, K79N, A76T, P67T)) tìm thấy, khơng có đột biến nằm exon 1, biểu diễn mơ hình cấu trúc khơng gian 3D Hình 2: Mơ hình cấu trúc 3D protein CXCL1 Mơ hình khơng gian 3D bậc cho thấy protein CXCL1 bao gồm cấu trúc xoắn α-helix cấu trúc gấp nếp β Trong đột biến, vị trí amino nằm gấp nếp β2: S64, E73, A76 K79 vị trí codon nằm vùng cho bảo thủ họ protein CXCL (hình 1) Do đó, dự đốn đột biến vị trí có ảnh hưởng đáng kể lên cấu trúc protein CXCL1 Gen CXCL1 gen bị ảnh hưởng tượng phơi nhiễm asen người bệnh, bên cạnh gen khác nghiên cứu AS3MT GST01 Tuy nhiên, gen mã hóa protein CXCL1 bệnh nhân phơi nhiễm asen hạn chế, phần lớn tập trung vào phương pháp biểu protein, nghiên cứu tương tác protein/receptor gây ung thư [10] Cho đến nay, phát đột biến gen CXCL1, đột biến phù hợp với nghiên cứu So sánh, dự đoán ảnh hƣởng đột biến * Đột biến P67T A76T: Đột biến P67T, vị trí P67 khơng tạo liên kết hydro với amino axít xung quanh, nên đột biến khơng làm thay đổi hệ thống liên kết hydro cấu trúc protein (hình 3A) Bên cạnh đó, tính axít bazơ 59 TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 thay đổi chuyển từ proline thành threonine, gốc -OH tăng từ lên khiến pH giảm Về phần đột biến A76T, đột biến tạo thay đổi liên kết hydro Cụ thể, vị trí T76 thêm liên kết hydro so với A76 (hình 3B) Một điểm đáng ý vị trí codon này, A76 amino axít khơng ưa nước, bị thay T76 khơng đặc tính khơng ưa nước Bên cạnh đó, xét độ axÝt bazơ, gốc -OH tăng từ lên khiến pH tăng nhẹ amino axít có loại CXCL người, đó, đột biến có ảnh hưởng định lên cấu trúc, chức protein CXCL1 Ngược lại, đột biến A76T, với thay đổi đáng kể trên, dự đốn đột biến ảnh hưởng đáng kể lên cấu trúc chức protein CXCL1 Nếu tần suất xuất đột biến người bị phơi nhiễm asen > 1, kết luận đột biến thị sinh học (biomarker) phát phơi nhiễm asen trước sinh * Đột biến G51E, E73K K79N: Tương tự đột biến trên, so sánh cấu trúc đột biến ViewerLite 4.2 Sở dĩ đặt đột biến vào nhóm, đột biến phát bệnh nhân mắc ung thư màng [8] A I II A I II B I II Hình 3: So sánh cấu trúc 3D protein A: Đột biến P67T; B: Đột biến A76T IA, IB: Mô hình bình thường IIA, IIB: Mơ hình đột biến Từ kết cho thấy, đột biến P67T không làm thay đổi nhiều cấu trúc protein, lại không nằm cấu trúc xoắn α hay gấp nếp β Tuy nhiên, T67 lại I B II 60 TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 I C I A II II Hình 4: So sánh cấu trúc 3D protein A: Đột biến G51E; B: Đột biến E73K; C: Đột biến K79N IA, IB, IC: Mơ hình bình thường IIA, IIB, IIC: Mơ hình đột biến Kết so sánh cho thấy đột biến không làm thay đổi mạng lưới liên kết hydro (hình 4) Tuy nhiên, G51E, gốc -OH tăng từ lên khiến pH tăng Tương tự với E73K, gốc -OH tăng từ lên 13 khiến pH tăng mạnh Trong đó, đột biến K79N lại khiến gốc -OH giảm từ 12 xuống làm cho pH giảm Với kết trên, dù đột biến không làm thay đổi mạng lưới liên kết hydro, chúng lại khiến pH thay đổi mạnh khiến khả trao đổi ion protein bị ảnh hưởng lớn Thêm vào đó, vị trí lại nằm vùng bảo thủ protein CXCL, nên chúng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc chức CXCL1, cụ thể, chúng tác nhân gây bệnh ung thư * Đột biến T39A S64P: Trong nghiên cứu trước, đột biến T39A gây ung thư phổi, đột biến S64P gây ung thư ruột già [8] B I II Hình 5: So sánh cấu trúc 3D protein A: Đột biến T39A; B: Đột biến S64P IA, IB: mô hình bình thường IIA, IIB: Mơ hình đột biến Cả đột biến không làm thay đổi mạng lưới hydro cấu trúc protein Tuy nhiên, xét độ axít bazơ, đột biến T39A khiến gốc -OH giảm từ xuống 5, pH giảm Trong đó, đột biến S64P làm cho pH tăng, gốc -OH tăng từ lên Từ kết cộng với vị trí codon cấu trúc bậc bậc 2, thấy đột biến ảnh hưởng không lớn đến cấu trúc chức protein CXCL1 Một dự đoán đưa đột biến tác nhân nhiều tác nhân gây nên loại ung thư Bên cạnh đó, nhiều cơng bố cho ung thư phổi nhiễm độc hay phơi nhiễm asen có liên quan với Do đó, khơng có bất ngờ đột biến T39A phát người bệnh phơi nhiễm asen nghiên cứu cỡ mẫu lớn 61 TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 KẾT LUẬN Chúng tơi thành cơng mơ hình hóa cấu trúc khơng gian 3D protein Chemokine (C-X-C motif) ligand (CXCL1) với nghiên cứu đột biến thay amino axít phát gen này, đặc biệt, đột biến (P67T A76T) bệnh nhân bị phơi nhiễm asen Các đột biến có tạo thay đổi định cấu trúc protein gen CXCL1, từ ảnh hưởng tới chức dẫn đến biểu bệnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Thảo TP, Bình TT, Hồng NH Đột biến gen CXCL1 trẻ sơ sinh bị phơi nhiễm asen trước sinh Hội nghị Khoa học Cơng nghệ sinh học tồn quốc 2013, 1, tr.729-732 Taillon-Miller P, Gu Z, Li Q, Hillier L, Kwok PY Overlapping genomic sequences: a treasure trove of single-nucleotide polymorphisms Genome Res 2008, 8, pp.748-754 Capriotti E, Calabrese R, Casadio R Predicting the insurgence of human genetic diseases associated to single point protein mutations with support vector machines and evolutionary information Bioinformatics 2006, 22, pp.2729-2734 Raychaudhuri S Mapping rare and common causal alleles for complex human diseases Cell 2011, 147, pp.57-69 Nelson MR, Wegmann D, Ehm MG, Kessner D, St Jean P An abundance of rare functional variants in 202 drug target genes sequenced in 14,002 people Science 2012, 337, pp.100-104 Teng S, Michonova-Alexova E, Alexov E Approaches and resources for prediction of the effects of non-synonymous single nucleotide polymorphism on protein function and interactions Curr Pharm Biotechnol 2008, 9, pp.123-133 Forbes SA, Bindal N, Bamford S, Cole C, Kok CY COSMIC: mining complete cancer Fernald GH, Capriotti E, Daneshjou R, genomes in the Catalogue of Somatic Mutations in Karczewski KJ, Altman RB Bioinformatics Cancer Nucleic Acids Res 2011, 39, pp.D945-950 challenges for personalized medicine Bioinformatics 2011, 27, pp.1741-1748 Mooney S Bioinformatics approaches and resources for single nucleotide polymorphism functional analysis Brief Bioinform 2005, 6, 10 Miyake M, Lawton A, Goodison S, Urquidi V, Rosser CJ Chemokine (C-X-C motif) ligand (CXCL1) protein expression is increased in high-grade prostate cancer Pathol Res Pract 2013 pp.44-56 62 Formatted: Centered, Indent: First line: cm, Space Before: pt, Line spacing: Multiple 1.19 li TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15 63 ... ligand (CXCL1) với nghiên cứu đột biến thay amino axít phát gen này, đặc biệt, đột biến (P67T A76T) bệnh nhân bị phơi nhiễm asen Các đột biến có tạo thay đổi định cấu trúc protein gen CXCL1, từ... protein CXCL1 Nếu tần suất xuất đột biến người bị phơi nhiễm asen > 1, kết luận đột biến thị sinh học (biomarker) phát phơi nhiễm asen trước sinh * Đột biến G51E, E73K K79N: Tương tự đột biến trên, ... tích đột biến thay amino axít tìm thấy gen CXCL1 Trong đó, đột biến điểm phát [8] đột biến vừa công bố gần liên quan đến tượng phơi nhiễm asen nhóm nghiên cứu [9] Bên cạnh liên quan đến tượng phơi