Evolusi Molekul Protein Penambah Bakteria/Peningkatan Kebolehtelapan (BPIFA1) yang Mengawal Tindak Balas Imun Semula Jadi dalam Mamalia Bahagian 1

Abstrak:

Protein bakteria/peningkatan kebolehtelapan, faktor utama sistem imun semula jadi mamalia, mengambil bahagian dalam perlindungan imun semula jadi terhadap bakteria penceroboh. BPIFA1 secara aktif menyumbang kepada pertahanan tuan rumah melalui pelbagai mekanisme, seperti antibakteria, surfaktan, kawalan cecair permukaan saluran udara, dan aktiviti imunomodulator. Walau bagaimanapun, sejarah evolusi dan daya pemilihan pada gen BPIFA1 dalam mamalia semasa evolusi penyesuaian kurang difahami. Kajian ini mengkaji gen BPIFA1 manusia berbanding dengan spesies mamalia lain untuk menganggarkan tekanan terpilih yang diperolehi oleh evolusi penyesuaian. Untuk menilai sama ada pemilihan positif berlaku atau tidak, kami menggunakan beberapa ujian kemungkinan yang berbeza (M1 lwn M2 dan M7 lwn M8).

Perkadaran tapak yang dipilih secara positif adalah penting, dengan nilai log kemungkinan 93.63 untuk protein BPIFA1. Pelayan Pemilihan telah digunakan pada set data yang sama untuk mengesahkan semula pemilihan positif untuk tapak tertentu dengan menggunakan model Gabungan Mekanistik-Empirikal, dengan itu menyediakan bukti tambahan yang menyokong penemuan pemilihan positif. Terdapat bukti yang meyakinkan untuk isyarat pemilihan positif dalam gen BPIFA1 spesies mamalia, yang lebih penting untuk tanda pemilihan dan mencipta isyarat.

Protein BPIFA1, juga dikenali sebagai LPLUNC1 atau Nasopharyngeal Carcinoma-associated Gene 6 (NAG6), ialah protein yang sangat diekspresikan dalam saluran pernafasan atas dan rongga mulut. Protein BPIFA1 berkait rapat dengan imuniti.

Kajian telah menunjukkan bahawa protein BPIFA1 mempunyai kesan antibakteria dan imunomodulator. Protein BPIFA1 boleh mengikat Escherichia coli invasif dan memusnahkan membran selnya, dengan itu memainkan peranan antibakteria. Di samping itu, protein BPIFA1 memainkan peranan imunomodulator dengan mengaktifkan reseptor seperti Toll (TLR) 4 dan laluan TLR2, menggalakkan tindak balas keradangan, apoptosis, dan pengaktifan sel imun.

Hubungan antara protein BPIFA1 dan penyakit pernafasan juga telah dikaji secara meluas. Sebagai contoh, kajian telah menunjukkan bahawa tahap ekspresi protein BPIFA1 dalam penyakit pernafasan seperti asma bronkial dan penyakit pulmonari obstruktif kronik (COPD) berkait rapat dengan keterukan penyakit. Terutama dalam keadaan jangkitan, tahap ekspresi protein BPIFA1 boleh meningkat dengan ketara, dengan itu mengambil bahagian dalam pengawalan tindak balas imun sistem pernafasan dan keseimbangan flora.

Oleh itu, peranan protein BPIFA1 dalam sistem imun tidak boleh diabaikan, dan hubungannya dengan penyakit pernafasan dan jangkitan memerlukan kajian yang lebih mendalam. Oleh itu, kita perlu memberi perhatian khusus untuk meningkatkan imuniti kita. Cistanche mempunyai kesan yang ketara dalam meningkatkan imuniti. Polisakarida dalam daging boleh mengawal tindak balas imun sistem imun manusia, meningkatkan keupayaan tekanan sel imun, dan menguatkan sel imun. kesan bakteria.

Klik untuk mengetahui makanan keseluruhan cistanche

Kami melakukan ujian kebarangkalian membandingkan pelbagai model berdasarkan nisbah dN/dS untuk mengenali kodon tertentu di bawah tekanan pemilihan positif. Kami mengenal pasti tapak yang dipilih secara positif dalam domain LBP-BPI protein BPIFA1 dalam genom mamalia, termasuk domain pengikat lipid dengan tahap selektiviti yang sangat tinggi untuk DPPC. BPIFA1 mengaktifkan sistem imun semula jadi saluran pernafasan atas sebagai tindak balas kepada banyak isyarat genetik dalam genom mamalia. Penemuan ini menyerlahkan kemajuan evolusi dalam kesan immunoregulatory yang memainkan peranan penting dalam pertahanan antibakteria dan antivirus spesies mamalia.

Kata kunci:

BPIFA1; bakteria; sistem imun; evolusi molekul; pemilihan yang positif.

1. Pengenalan

Protein penambah kebolehtelapan bakteria (BPI) adalah protein antimikrobial yang sangat berkesan yang mengikat dan meneutralkan lipopolisakarida yang dibebaskan daripada membran luar bakteria [1]. Gen ahli keluarga A 1 (BPIFA1) yang mengandungi lipatan BPI diketahui mempunyai kesan ke atas sistem imun tempatan, dan kesan ini berpotensi mempengaruhi pertumbuhan dan pencerobohan mikroorganisma [2]. Salah satu mekanisme berpotensi yang mendasari hubungan ini ialah keupayaan BPIFA1 untuk meningkatkan penyerapan bakteria oleh sel fagosit dan keupayaan mereka untuk memusnahkannya [3].

Walaupun mereka mempunyai persamaan urutan yang minimum, BPI mempunyai dua domain yang menggunakan lipatan struktur yang sama [1,4]. Bakteria Gram-negatif yang menyerang menghasilkan tindak balas perumah bersepadu yang difasilitasi oleh kehadiran protein pengikat lipopolysaccharide (LBP). LBP ialah protein pengikat endotoksin yang berkait rapat dan diselaraskan dengan BPI [5]. BPIFA1 mengawal mikrobiota mukosa dan isyarat interferon asas. SPLUNC1 (dahulunya dikenali sebagai BPIFA1) ialah ahli keluarga yang mengandungi lipatan protein dengan aktiviti antibakteria, surfaktan dan imunomodulator, yang kesemuanya menyumbang kepada perlindungan perumah. Sistem pernafasan adalah tapak utama ekspresinya [6]. SPLUNC1, homolog manusia gen tetikus PLUNC, mempamerkan corak ekspresi yang sama di saluran pernafasan atas dan kawasan nasofaring seperti homolog tetikusnya. Tindakan antibakteria terhadap bakteria Gram-negatif dipaparkan oleh protein antimikrob yang dikodkan [5]. Dalam kanser paru-paru bukan sel kecil, ia mungkin berfungsi sebagai penanda molekul yang berpotensi untuk mengesan mikrometastasis. Berbilang varian transkrip telah ditemui hasil daripada penyambungan alternatif bagi kawasan 3' yang tidak diterjemahkan; bagaimanapun, sifat panjang penuh hanya tiga daripada varian transkrip ini difahami [7].

Kedua-dua tikus dan manusia mempunyai tahap ekspresi gen BPIFA1 yang ketara di bahagian atas trakea, tetapi ungkapan ini berkurangan dengan jarak dari trakea, mencapai tahap minimum pada bifurkasi bronkus batang utama dan menjadi tidak dapat dikesan di pinggir paru-paru. [8]. Kajian ekspresi gen yang meluas pada tikus dan manusia telah gagal untuk mengesan BPIFA1 dalam tisu paru-paru periferal [9]. Kecuali untuk tahap ekspresi mRNA BPIFA1 yang sangat rendah dalam timus tikus, jantung tikus, dan mukosa penciuman, BPIFA1 tidak dinyatakan dalam mana-mana organ atau tisu di luar sistem pernafasan tikus [10]. Tiada petunjuk bahawa mRNA BPIFA1 hadir dalam mana-mana tisu manusia berikut: jantung, hati, otak, perut, usus kecil, plasenta, otot rangka, pankreas, limpa, nodus limfa normal, limfosit periferal, prostat, testis, atau ovari [11].

Ekspresi mRNA BPIFA1 mengikuti corak pengedaran yang sangat setanding dalam tisu embrio dan dewasa. Corak ini diperhatikan dalam kedua-dua jenis tisu [1]. Ekspresi berlebihan BPIFA1 dalam tikus transgenik menghasilkan makrofaj alveolar dengan opsonisasi dan fagositosis karbon nanotiub yang dipertingkatkan dalam model keradangan saluran udara terkawal [12]. Di samping itu, nanobakteria Gram-negatif komensal ditunjukkan untuk menyetempatkan bersama BPIFA1 dalam sel epitelium tisu kanser nasofaring [13]. Sampel diambil daripada pesakit yang sebelum ini dikenal pasti menghidap karsinoma nasofaring. Penemuan kajian baru-baru ini mencadangkan bahawa interaksi antara BPIFA1 dan LPS bukan bakteria boleh mengurangkan tindak balas keradangan badan yang disebabkan oleh LPS bukan bakteria. [1].

Pelbagai kesan antibakterianya dan pemeliharaan strukturnya dalam vertebrata yang bernafas udara membayangkan bahawa BPIFA1 telah berkembang untuk menyediakan kapasiti perlindungan hos yang penting [14]. Walau bagaimanapun, disebabkan lokasinya di saluran udara proksimal dan tahap tingginya di bawah keadaan basal, BPIFA1 mungkin sangat diperlukan. Ini kerana pengesan antimikrob banyak terdapat pada haiwan [15]. Akibatnya, BPIFA1 nampaknya mempunyai kesan yang paling ketara dalam mengelakkan jangkitan dan membersihkannya sebelum pencerobohan patogen. Jangkitan bakteria dalam sistem pernafasan boleh dicegah berkat fungsi ini, yang mungkin menandakan pengaktifan imuniti dan peraturan yang lebih baik bagi fungsi saluran pernafasan yang lain [15].

Perubahan penyesuaian sebagai tindak balas kepada permintaan persekitaran dianggap dikekang oleh faktor biofizik, tetapi aspek struktur tapak yang mengandungi perubahan penyesuaian tidak dapat diramalkan oleh mana-mana teori evolusi [16]. Ini kerana kekangan biofizikal mengehadkan jenis penggantian yang dibenarkan untuk fungsi protein dikekalkan [17]. Pemilihan positif mungkin lebih lazim dalam bahagian protein di mana mutasi dijangka mempunyai kesan yang lebih rendah berbanding bahagian lain protein, walaupun ini belum terbukti (contohnya, tapak peraturan alosterik) [18]. Walau bagaimanapun, kawasan berfungsi dijangka kekal terpelihara dengan ketara semasa evolusi, walaupun perubahan penyesuaian dikaitkan dengan penetapan pesat mutasi yang menggalakkan [19]. Evolusi molekul urutan protein sangat dipengaruhi oleh proses pemilihan semula jadi.

Perkembangan terkini dalam penjujukan genom dan kaedah inferens yang boleh dipercayai pada peringkat filogenetik dan populasi telah memungkinkan untuk menjalankan penilaian yang pantas dan teguh terhadap kadar evolusi dan penyesuaian yang didorong oleh pemilihan semula jadi [20]. Di kedua-dua peringkat filogenetik dan populasi, sejumlah besar kerja telah dijalankan untuk membina kaedah inferens. Tambahan pula, peningkatan kebolehcapaian data struktur dan fungsi protein telah membolehkan penyelidik mengkaji kesan kekangan struktur dan fungsian terhadap evolusi dan penyesuaian jujukan protein [16]. Oleh kerana had yang dikenakan oleh struktur dan fungsinya, kadar evolusi dan penyesuaian adalah berbeza untuk pelbagai protein dan tapak dalam protein yang sama [19].

Sebahagian besar fungsi sel berkait rapat dengan rangkaian pengawalseliaan ekspresi gen yang membolehkan organisma bertolak ansur dengan tahap jangkitan yang lebih tinggi atau mengurangkan kesan jangkitan tersebut [21]. Kebanyakan komponen yang membentuk fisiologi selular berkait rapat dengan sistem pengawalseliaan ekspresi gen ini, yang selalunya merupakan penyesuaian evolusi yang lama [22]. Mekanisme ini telah menarik minat yang besar dalam penyelidikan yang telah menggunakan set spesies model yang terhad yang mana maklumat genetik tersedia [23]. Walau bagaimanapun, sedikit yang diketahui tentang mekanisme yang membawa kepada evolusi sistem ini atau cara ia menyesuaikan diri dengan persekitaran persekitaran yang pelbagai semasa pembangunan berkembang.

Kajian ini bertujuan untuk menyiasat asal-usul evolusi gen BPIFA1 untuk mendedahkan ciri fisiokimianya dan menggunakan genomik perbandingan untuk memberikan penilaian gen dalam pelbagai spesies mamalia. Kami menjalankan kajian perbandingan yang mendalam tentang gen bakterisida/peningkatan kebolehtelapan protein (BPIFA1), yang mengawal selia tindak balas imun semula jadi dalam mamalia, untuk lebih memahami cara gen ini berfungsi. Terdapat kemungkinan tekanan terpilih akan memberi kesan yang ketara ke atas evolusi penyesuaian. Dalam kajian ini, kami menyiasat sejarah gen ini dalam pelbagai spesies vertebrata, serta bagaimana kepelbagaian genetik dan pemilihan semula jadi telah mempengaruhi perkembangan keluarga gen ini dari semasa ke semasa.

2. Bahan-bahan dan cara-cara

2.1. Pengambilan dan Analisis Jujukan

Asid amino dan urutan nukleotida pengekodan gen BPIFA1 dalam 34 spesies mamalia, termasuk manusia sebagai spesies rujukan dalam kajian ini, dikumpulkan daripada GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank, diakses pada 20 September 2021), dan mereka diselaraskan menggunakan alat Clustal Omega dalam perisian MEGA 6 [24]. Kaedah kemungkinan maksimum telah digunakan dalam perisian MEGA 6 untuk menjana pokok filogenetik untuk gen BPIFA1. Pokok ini dibina berdasarkan hubungan evolusi antara gen. Ujian bootstrap mengira purata bilangan penggantian bagi setiap tapak dan purata panjang cawangan dengan menggunakan kaedah kemungkinan maksimum dengan 1000 ulangan untuk menentukan pengelompokan taksonomi. Kaedah ini digunakan untuk memilih topologi untuk nilai kemungkinan log yang lebih maju [25,26]. Nama spesies dan nombor penyertaan yang digunakan untuk mengkaji gen BPIFA1 disediakan dalam Jadual Tambahan S1.

2.2. Analisis Pemilihan

Pendekatan kemungkinan maksimum digunakan untuk membandingkan nisbah dN/dS bagi setiap tapak kodon untuk mengenal pasti kodon tertentu dalam jujukan gen BPIFA1 mamalia yang tertakluk kepada pemilihan positif [27,28]. CODEML yang dilaksanakan dalam PAML [29] dan pelayan web DATA MONKEY (https://www.datamonkey.org, diakses pada 29 September 2021) [30] telah digunakan untuk analisis, dan hasilnya ditetapkan menggunakan nisbah penggantian kodon yang adalah jauh lebih tinggi daripada 1 untuk kodon di bawah pemilihan positif. Langkah awal penyelidikan ini adalah untuk menentukan sama ada pemilihan positif berlaku atau tidak menggunakan ujian nisbah kemungkinan maksimum.

Analisis ini menentukan kehadiran tapak dengan nisbah dN/dS lebih besar daripada satu. Dalam kajian ini, kami membezakan model diskret (generik) yang melaksanakan fungsi ini dengan model nol yang melarang berlakunya tapak dengan nilai lebih daripada 1 [31]. Analisis telah dibandingkan menggunakan pengedaran log kemungkinan (2∆l) dengan df=4. Hipotesis nol (M7) menegaskan bahawa taburan dibatasi oleh nilai 0 dan 1. Model alternatif (M8) dengan dua parameter, omega (ω) dan beta ( ), membenarkan terbitan nilai daripada set data, yang mungkin lebih besar daripada 1 [27]. Analisis menggunakan kemungkinan kesan tetap (FEL), pengiraan nenek moyang kemungkinan tunggal (SLAC), dan kemungkinan kesan rawak (REL) semuanya mendapati bahawa gen BPIFA1 tertakluk kepada pemilihan positif apabila nilai global untuk perbezaan sinonim dan tidak sinonim di setiap tapak dibandingkan. [32].

Peringkat kedua adalah menggunakan anggaran kebarangkalian maksimum untuk mencari kedudukan asid amino yang menjadi subjek pemilihan positif sepanjang evolusi. Teorem Bayes, yang meramalkan kebarangkalian posterior tapak yang tertakluk kepada pemilihan positif, telah digunakan untuk mencapai matlamat ini. Pemilihan positif diperhatikan beroperasi di lokasi asid amino dengan kebarangkalian posterior antara 95 peratus hingga 99 peratus [33]. Sisa asid amino dengan kebarangkalian tinggi bahawa nilai lebih besar daripada satu telah tertakluk kepada prosedur terpilih. Model Switzerland dan Phyre 2 (http://www. sbg.bio.ic.ec.k/pyre/html, diakses pada 28 September 2021) ialah aplikasi berasaskan web yang memaparkan lokasi asid amino terpilih pada struktur protein [34].

Kami meramalkan lokasi pemuliharaan evolusi asid nukleik dan asid amino dalam protein menggunakan alat ConSurf (//consurftest.tau.ac.il, diakses pada 28 September 2021), yang berdasarkan hubungan filogenetik antara jujukan [ 35]. Urutan kodon sejajar BPIFA1 telah diperiksa dalam Selecton versi 2.2 (http://secton.tau.ac.il, diakses pada 28 September 2021), yang membenarkan penentuan nisbah pelbagai kodon di dalam jujukan sejajar. Nisbah ini diukur menggunakan pendekatan inferens Bayesian melalui pelbagai ujian kemungkinan. Ini dilakukan untuk mengesahkan kodon yang dipilih secara positif [36]. Selain itu, keputusan Pemilihan ditunjukkan dalam pelbagai warna untuk menandakan pelbagai kriteria pemilihan.

2.3. Analisis Penggabungan Semula

Untuk mencari bukti penggabungan semula, kami melakukan prosedur pemilihan model berdasarkan kemungkinan statistik yang boleh menyaring banyak penjajaran jujukan untuk mencari titik putus dan mengesan kemungkinan DNA rekombinan. Teknik ini menggunakan algoritma genetik untuk mencari penjajaran beberapa jujukan bagi titik putus penggabungan semula untuk mencapai matlamatnya. Pendekatan GARD adalah mudah untuk difahami, mudah dipanjangkan dan sangat boleh disejajarkan. Eksperimen simulasi yang meluas telah menunjukkan bahawa kaedah ini mengatasi alat semasa yang lain dalam hampir semua kes, terutamanya mengenai ketepatan.

Untuk menyiasat bukti penggabungan semula, jujukan nukleotida pertama kali dinilai untuk mengenal pasti haplotip (Na) dan menganggar tapak polimorfik (S), purata bilangan perbezaan nukleotida (K), dan kepelbagaian nukleotida (π) menggunakan perisian DnaSP 5.10 [37]. ]. Pengesanan titik putus dan penilaian isyarat rekombinan dalam jujukan nukleotida dilakukan menggunakan alat GARD dalam talian pelayan web Datamonkey [38]. Selain itu, menggunakan GARD untuk menyaring jujukan untuk penggabungan semula memastikan bahawa kaedah yang memfokuskan pada mengenal pasti pemilihan positif mempunyai ciri statistik yang boleh diterima.

2.4. Analisis Interaksi Protein-Protein

Banyak minat telah diarahkan ke arah menyiasat bagaimana interaksi protein-protein dipelihara dari satu spesies ke spesies yang lain. Memandangkan terdapat beberapa halangan dalam pengenalpastian eksperimen dan pengesahan data interaksi, ia akan menjadi menarik untuk memahami PPI yang dipindahkan daripada spesies yang telah terbukti dalam spesies lain [39]. Bank data STRING ialah sumber bioinformatik percuma yang mengandungi maklumat yang menerangkan cara protein berinteraksi antara satu sama lain sebagai sebahagian daripada beberapa laluan. Bilangan garisan yang menghubungkan setiap nod protein dan nilai antara digunakan untuk mengenal pasti nod perantaraan, mewakili protein yang memainkan peranan biologi yang penting dan berkait rapat antara satu sama lain. Penciptaan rangkaian telah dijalankan menggunakan perisian STRING dan Cytoscape (http://www.cytoscape.org, diakses pada 29 September 2021) telah digunakan untuk memaparkan rangkaian [40]. Dengan mengenal pasti interaksi protein-protein BPIFA1 di kalangan protein imun dan analisis ekspresi bersama menggunakan STRING versi 9.1 (http://www.string-db.org, diakses pada 29 September 2021), kami dapat menentukan lagi bagaimana BPIFA1 berfungsi pada peringkat molekul.

2.5. Analisis Struktur BPIFA1 Protein

Dalam analisis ini, kami membina struktur kristal protein BPIFA1 manusia menggunakan pemodelan homologi dengan alat dalam talian, seperti model Switzerland (http://swissmodel.expasy.org, diakses pada 29 September 2021) [41], I-TESSAR [42], dan Phyre2 (http://www.sbg. bio1.ic.ac.uk/phyre2/html, diakses pada 29 September 2021) [43]. Kaedah kecerunan konjugat dan medan daya Amber dalam perisian UCSF Chimera 1.10.1 digunakan untuk mengurangkan protein sasaran yang dipasang. Di samping itu, pelayan web ProSA telah digunakan untuk menilai sifat stereokimia struktur yang dijangkakan [22].

For more information:1950477648nn@gmail.com