干擾素的系統(tǒng)生物學(xué)反應(yīng)課件

干擾素的系統(tǒng)生物學(xué)反應(yīng)09生物技術(shù)葛浦浦張俊2011-7-27摘要：干擾素是一種多效的細(xì)胞因子家族，在保護(hù)宿主生物遠(yuǎn)離疾病和保持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定方面行使基本功能，過(guò)度或不適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)可以引起中毒甚至死亡。因此，宿主生物體產(chǎn)生具體和高度調(diào)控的機(jī)制，控制時(shí)間和組織特異性產(chǎn)生干擾素，途徑的選擇和基因被激活的效應(yīng)?，F(xiàn)在有許多的微陣列數(shù)據(jù)集可全面分析參與干擾素反應(yīng)的基因。本文介紹了INTERFEROME數(shù)據(jù)庫(kù)，它吸收了現(xiàn)有的表達(dá)譜數(shù)據(jù)和內(nèi)容，定義了干擾素基因、發(fā)現(xiàn)途徑、監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)和組織特異性的干擾素反應(yīng)。介紹：在干擾素過(guò)去50年的歷史中，已經(jīng)了解了很多個(gè)人干擾素調(diào)節(jié)基因（IRGs）的作用和其編碼的蛋白質(zhì)發(fā)揮效應(yīng)的干擾素活動(dòng)。例如：2`-5`寡腺苷酸合成酶（2`-5`OAS）、核糖核酸酶（RNaseL）、Mx蛋白（一種由Ⅰ型干擾素誘生的流感病毒復(fù)制的抑制蛋白）的抗病毒反應(yīng)。在過(guò)去的十年里，基因芯片技術(shù)使全面的了解了數(shù)百個(gè)基因被激活和抑制在用干擾素治療的細(xì)胞中。這些分析從分子水平為我們提供了一個(gè)更全面的的理解在干擾素對(duì)細(xì)胞的作用方面。我們現(xiàn)在可以補(bǔ)充有效的還原方法在一個(gè)時(shí)間描述一個(gè)IRG，以更加綜合的觀點(diǎn)解釋數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)基因是如何被調(diào)控的以及這些基因在功能網(wǎng)絡(luò)里的相互作用。澄清的性質(zhì)和時(shí)間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的驅(qū)動(dòng)力的基因組有可能提供一個(gè)深入了解的分子過(guò)程，以不同的生物反應(yīng)可誘發(fā)干擾素。此外，這些途徑構(gòu)成的目標(biāo)，例如：病毒逃避抗病機(jī)制，其他疾病如癌癥可能逃避干擾素調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，重要的是，新的治療方法。干擾素的系統(tǒng)生物學(xué)反應(yīng)干擾素調(diào)節(jié)基因6169103246086Ⅰ型1672Ⅱ型1320Ⅲ型146誘導(dǎo)基因Ⅰ型1333Ⅱ型1044Ⅲ型1144967234173248抑制基因Ⅰ型339Ⅱ型276Ⅲ型32120187131976上述趨勢(shì)指出了總?cè)藬?shù)的IRGs也都類似，該比例的干擾素刺激基因（ISGs）和抑制基因。因此，37％的Ⅰ型干擾素ISGs是特異通過(guò)Ⅰ型誘導(dǎo)而不是Ⅰ型或Ⅱ型。24％γ－干擾素刺激基因是獨(dú)特的，沒(méi)有獨(dú)特的λ－干擾素ISGs，而這些是一個(gè)有限的比例（7％）的Ⅰ型干擾素ISG反應(yīng)。雖然與那些誘導(dǎo)基因相比，抑制基因稍微少些，因?yàn)樗赡芊从沉诵酒脚_(tái)在抑制基因表達(dá)總量上的技術(shù)限制，特別是在低水平表達(dá)的基因組成，與IRGs相關(guān)的機(jī)制和途徑很少進(jìn)行相關(guān)的研究。但也有一些具有良好特征的被IFNs活化或一致的產(chǎn)物。在全球范圍擴(kuò)大這些趨勢(shì)應(yīng)該謹(jǐn)慎，因?yàn)槲覀兊慕Y(jié)論也有可能是有限的，數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，（特別是γ－干擾素誘導(dǎo)基因）范圍有限的細(xì)胞組織審查或?qū)嶒?yàn)條件如劑量和時(shí)間進(jìn)程。目前，僅有86個(gè)基因調(diào)節(jié)所有3中干擾素，73個(gè)誘導(dǎo)基因和13個(gè)抑制基因，它們表示非常有限的共同信號(hào)通路。該interferome使“組織”的基因，產(chǎn)生一個(gè)“熱點(diǎn)地圖”，這些數(shù)據(jù)是由NovartisfoundationGNF部門收集的，其中包含的正常組織表達(dá)79人及61個(gè)鼠標(biāo)組織表達(dá)和鎮(zhèn)壓是指在黑色和白色，分別與強(qiáng)度（白色灰色到黑色）成正比的表達(dá)水平。

該INTERFEROME使“組織”的基因，產(chǎn)生一個(gè)IRGs通常表達(dá)的“熱點(diǎn)地圖”。這些數(shù)據(jù)是由NovartisGNF門戶網(wǎng)站完成的，其中包含79人以及61個(gè)鼠的正常組織表達(dá)。當(dāng)整個(gè)INTERFEROME數(shù)據(jù)繪制出來(lái)時(shí)，層次聚類能夠識(shí)別新出現(xiàn)的模式。雖然可能有一些偏見(jiàn)，由于有限頻譜的細(xì)胞組織研究的INTERFEROME數(shù)據(jù)，但有一些有趣的模式出現(xiàn)，有許多基因在造血細(xì)胞中表達(dá)豐富，這也符合干擾素影響造血白細(xì)胞的功能并激活的鮮明特點(diǎn)。在大腦中，也有一簇有趣的基礎(chǔ)表達(dá)基因，這可能是有趣的地圖途徑激活，是否有功能意義可歸因于它們。更有趣的是系統(tǒng)性α－干擾素已激活STAT1和IRGs：ISG15、USP18和GBP13特別是在神經(jīng)元，這可能為神經(jīng)疾病與干擾素治療提供一個(gè)基礎(chǔ)的機(jī)制。較大的基因組中確定的INTERFEROME也可能有助于相似或不同的腦疾病。

這個(gè)INTERFEROME也可能通過(guò)產(chǎn)生的輸出文件的兼容與在線表意工具提供一個(gè)人類或小鼠染色體的基因圖集，縱觀染色體的IRGs分布表明廣泛分布在所有染色體與潛在富集IRGs19和22染色體上以及相對(duì)IRGs的13染色體，然而所有IRGs分布格局的染色體位置的解釋?xiě)?yīng)根據(jù)全面基因表達(dá)的所有蛋白質(zhì)編碼基因在染色體上的分布。在這種情況下，所有基因在13號(hào)染色體上出現(xiàn)的頻率相對(duì)交替，因此相對(duì)缺乏的IRGs對(duì)這個(gè)基因家族可能不是特異的，雖然這種類型的分析可能是有用的以確定集群IRGs與遺傳聯(lián)系的特定疾病會(huì)染色體異位經(jīng)常發(fā)生在腫瘤細(xì)胞中，適當(dāng)控制全面基因轉(zhuǎn)錄應(yīng)列入分析。在疾病中，與有關(guān)的性別偏見(jiàn)可能涉及X、Y染色體上的IRGs?？共《靖蓴_素發(fā)揮作用是要通過(guò)細(xì)胞受體信號(hào)傳遞、激活細(xì)胞另一組基因來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從基因水平了解干擾素抗病毒活性主要涉及下列幾種抗病毒蛋白：1.ISG15是15KDa的干擾素刺激蛋白ISG15的大量分泌來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)免疫，ISG15細(xì)胞外的功能機(jī)制尚不清楚。2.MX黏蛋白抗性蛋白AMX蛋白具有GTP酶活性，而且這一活性是其抗病毒功能所必需的；MXA可識(shí)別病毒得的核殼樣結(jié)構(gòu)，并與病毒多聚酶結(jié)合，阻斷基因轉(zhuǎn)錄，是一種有效的抗病毒作用。3.2‘-5’寡腺甘酸合成酶（OASI）OASI以ATP為底物合成低分子量的2‘-5’A合成酶，它可使病毒的RNA降解。由于合成的2‘-5’A只與RNA的復(fù)制復(fù)合物結(jié)合，從而限制了2‘-5’A在病毒RNA復(fù)制的局部作用，而不對(duì)細(xì)胞有毒性作用。4.蛋白激酶R（PKR）可使數(shù)種與核糖體相連的蛋白質(zhì)磷酸化，磷酸化后失活，從而使病毒蛋白合成受阻。5.磷酸二酯酶這種酶為外切酶，能水解除去ｔRNA3‘末端的CCA，從而抑制病毒肽鏈的延長(zhǎng)和蛋白質(zhì)的翻譯。調(diào)節(jié)作用

對(duì)有機(jī)體的生存來(lái)說(shuō)，干擾素反應(yīng)至關(guān)重要的作用是其進(jìn)化保護(hù)組成部分，整個(gè)干擾素系統(tǒng)組件，包括配體、細(xì)胞表面受體、信號(hào)分子，IRGs是所有脊椎動(dòng)物物種中共有的，似乎只有細(xì)胞內(nèi)的組成部分是無(wú)脊椎動(dòng)物特有的。轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)自己的IRGs已確定存在于無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)包括酵母。IRGs所編碼的蛋白質(zhì)參與基本的細(xì)胞功能，如細(xì)胞周期、增殖和運(yùn)動(dòng)而且高度保守。調(diào)節(jié)免疫

上面提到的許多IRGs與細(xì)胞的基本生物學(xué)參數(shù)有關(guān)（細(xì)胞增殖、親或抗凋亡和趨化）并且負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)（如膨脹、遷移、存活、激活和死亡）在誘導(dǎo)免疫效應(yīng)細(xì)胞中，有的IRGs有調(diào)節(jié)非常具體的免疫作用，如蛋白質(zhì)參與抗原處理和主要組織相容性復(fù)合物（MHC）的提呈及細(xì)胞毒性（例如：顆粒酶和穿孔素－1）,然而不當(dāng)或過(guò)渡激活I(lǐng)RGs，以引發(fā)免疫性疾病，如系統(tǒng)性紅斑狼瘡、敗血癥（產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子的“風(fēng)暴”）。IRGs的細(xì)胞生物學(xué)和生物學(xué)作用

根據(jù)亞細(xì)胞定位及其編碼蛋白在INTERFEROME中的IRGs全面的GO分析表明；干擾素誘導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)與反應(yīng)能力的各種刺激壓力或危險(xiǎn)信號(hào)，影響不同的亞細(xì)胞器。預(yù)測(cè)編碼蛋白基因的有676個(gè)位于核質(zhì)、626個(gè)在細(xì)胞質(zhì)、379個(gè)在膜結(jié)合處、151個(gè)在線粒體、64個(gè)在高爾基體、34個(gè)在核糖體、35個(gè)在溶酶體，因此干擾素反應(yīng)可以定位從而防止應(yīng)力，如病毒感染其中復(fù)制的病毒可以在細(xì)胞內(nèi)不同地點(diǎn)，如當(dāng)復(fù)制的位點(diǎn)在線粒體，位于此的干擾素刺激蛋白就會(huì)起防御作用。此外IRGs編碼的抗病毒蛋白抑制許多不同階段的病毒復(fù)制的生命周期包括病毒進(jìn)入細(xì)胞、脫殼、轉(zhuǎn)錄、翻譯、裝配和出芽過(guò)程，顯然發(fā)生在感染細(xì)胞的不同位置。

從分子水平，IRGs編碼的干擾素反應(yīng)蛋白包括大多數(shù)種類的細(xì)胞蛋白，除反應(yīng)引發(fā)類包括結(jié)構(gòu)蛋白、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)適配器、酶（包括蛋白激酶和磷酸酶）、代謝因素與細(xì)胞膜和分泌的蛋白質(zhì)。IRGs的細(xì)胞生物學(xué)和生物學(xué)作用

除了這些因素，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，干擾素調(diào)節(jié)的生物反應(yīng)被放大和擴(kuò)展，從而反過(guò)來(lái)調(diào)解二次靶基因。根據(jù)GO的詮釋，有155個(gè)IRGs編碼的轉(zhuǎn)錄因子作用在不同的生理和病理過(guò)程，包括ATF、STAT、IRFSMAD、KLF、HDAC和轉(zhuǎn)錄監(jiān)管家族，也有IRGs編碼轉(zhuǎn)錄因子抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄，IRF2和IRF4基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控是一個(gè)明顯的組成部分。因?yàn)橛?15個(gè)干擾素反應(yīng)抑制基因，這些抑制途徑及其調(diào)控的IRGs可能介導(dǎo)干擾素的抑制作用。如細(xì)胞周期通過(guò)IRGs、生長(zhǎng)因子受體和原癌基因c－myc等干擾素激活負(fù)調(diào)控是干擾素反應(yīng)本身特點(diǎn)，這是典型的細(xì)胞因子信號(hào)抑制（SOCS）蛋白質(zhì)。這些目標(biāo)蛋白通常降解信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白質(zhì)，從而提供了一種終止反應(yīng)機(jī)制。誘導(dǎo)自身的干擾素反應(yīng)具有自限性，這是一個(gè)重要的功能，因?yàn)檫^(guò)渡的細(xì)胞信號(hào)因子可能是有毒的，已被表型為SOSC1缺陷的新生兒小鼠證明。IRGs的細(xì)胞生物學(xué)和生物學(xué)作用

因?yàn)檫^(guò)渡的干擾素信號(hào)，編碼蛋白的負(fù)調(diào)控IRG