FOS蛋白的研究进展及生物信息学分析

FOS蛋白的研究进展及生物信息学分析
作者：涂冬萍，马小军，莫长明，等
来源：《湖北农业科学》 2015年第7期
冬萍１，马小军１，２，莫长明３，覃喜军１，黄杰４
（１．中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所，北京１００１９３；２．中国
医学科学院药用植物研究所云南分所，
云南景洪６６６１００；３．广西药用植物园，南宁５３００２３；４．广西中医药大学，南宁５３０００１）
摘要：ＦＯＳ蛋白作为一类核蛋白转录因子，在调控细胞生长、分裂、增殖、分化乃至程
序性死亡等方面具有重要的作用，它的表达影响了许多生命活动和过程，引起了人们的广泛关注，并在学习记忆及射精的标记方面吸引了学者的眼球。

对ＦＯＳ蛋白的作用进行了综述，并
对人、大鼠及小鼠ＦＯＳ蛋白进行了生物信息学分析，旨在为ＦＯＳ蛋白在生理学方面的研究
提供参考依据。

关键词：ＦＯＳ蛋白；转录因子；生物信息学
中图分类号：Ｑ８１６；Ｑ８１１．４
文献标识码：A
文章编号：0439－８114（２０15）07－1537-06
DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2015.07.001
ＦＯＳ是ｃ－ｆｏｓ基因转录产生的成熟ｍＲＮＡ编码的一个核磷蛋白。

ｃ－ｆｏｓ基因
是人或动物细胞中固有的正常基因，属于即刻早期应答基因（Ｉｍｍｅｄｉａｔｅｅａｒｌｙｒｅｓｐｏｎｓｅｇｅｎｅｓ，ＩＥＧ），ＦＯＳ作为一类核蛋白转录因子，在调控细胞生长、分裂、增殖、分化乃至程序性死亡等方面具有重要作用。

ＦＯＳ蛋白和ｃ－ｆｏｓ基因受到广
泛的关注，研究不断深入。

本文就ＦＯＳ蛋白的作用及其在性行为方面的研究进行了论述，对人、大鼠及小鼠的ＦＯＳ蛋白进行了生物信息学分析。

１ＦＯＳ蛋白
ｃ－ｆｏｓ基因高度保守，属多基因家族，与其同族的还有ｆｏｓ－Ｂ，ｆｏｓ－１和ｆ
ｒｏｓ－２。

ｃ－ｆｏｓ可在多种因素诱导下迅速地表达，其转录激活在５ｍｉｎ内即可产生，一般维持１５～２０ｍｉｎ，ｃ－ｆｏｓｍＲＮＡ的蓄积在刺激后３０～４５ｍｉｎ可达高峰，半衰期为１２ｍｉｎ。

ＦＯＳ蛋白合成后即刻转入细胞核内，一般在刺激后２０～９０
ｍｉｎ即可检出，６０～９０ｍｉｎ达峰值，可持续２～５ｈ，半衰期为２ｈ［１］。

２ＦＯＳ蛋白的作用
在原癌基因的研究中对ＩＥＧ产物的研究提示ＦＯＳ蛋白可能是神经元被刺激激活的一种
标志［２］。

现代学者认为，ＦＯＳ蛋白参与细胞的正常分化、生长以及学习、记忆等过程，
在脑内与皮层、海马、边缘系统、背海马、纹状体内ＦＯＳ蛋白的表达密切相关［３－７］。

在病理状态下与许多疾病的发生、发展有关，如宫颈癌［８］、癫痫［９］。

目前ＦＯＳ蛋白
表达还用于偏头痛治疗药物筛选、药效评价和发病机理研究模型的建立［１０］、鉴别生前电
击与死后电击［１１］、作为临床提示脑部受伤时间的参考指标［１２］。

ＦＯＳ蛋白参与神经肽的调节，与神经元的可塑性有关，如细胞水平记忆的形成、神经元
损伤后的再生等［１］。

当受到如脑缺血、脑出血、血管性痴呆、痫性发作、热应激、恐惧和
愤怒应激等刺激后，其在数分钟内做出反应，导致中枢神经系统不同区域出现不同数量的ＦＯ
Ｓ蛋白表达［１３］，如室旁核［１４，１５］、下丘脑视上核、下丘脑、杏仁核［１６］等，在对外界刺激-转录耦联的信息传递过程中起着核内第三信使的重要作用［１７］，且各种急性应激所致小鼠空间学习记忆功能的改变与ＦＯＳ蛋白表达的上调有关，其表达在应激后１ｈ明显增加［１８］。

Ｍｏｏｒｅ等［１９］研究发现，ＦＯＳ蛋白的持续表达是细胞终末分化的
标志及发生死亡的先兆［２０］，同时还能抑制使细胞维持生存的一些基因的表达，维持着随
后的细胞死亡过程并持续很长时间［２１］。

３ＦＯＳ蛋白与性行为
多年的研究发现大脑接收射精相关的信号，ＦＯＳ蛋白的表达可作为与性行为的各个方面
尤其是射精相关的神经活动的标志物［２２－２４］，并且ＦＯＳ蛋白随着性行为的增加而表
达增高［２５－２７］，其表达可能与感觉输入或行为输出有关，或者两者都有，人们普遍认
为射精诱导ＦＯＳ蛋白表达与感觉信息的处理比触发射精更相关［２８］。

现在ＦＯＳ蛋白已被用于雄性和雌性啮齿动物大脑性行为的图谱功能网络的绘制［２９，
３０］，并且使用ＦＯＳ蛋白作为标志物具有病变而不会影响细胞分辨率的优势［３１－３５］。

由于分辨率大，交配时ＦＯＳ蛋白的增加发生在内侧视前区、杏仁核、条纹终末核、中
央被盖区［３６－３９］、束旁丘脑核［26］、附属嗅球、伏隔核、腹外侧隔、条纹床核、内
侧视前区、下丘脑室旁核、腹内侧核、杏仁核、杏仁海马区、腹侧被盖区等。

这些脑区域都是
性行为调节下的神经网络的部分［４0］。

总之插入和交配诱导了ＦＯＳ蛋白在雄鼠大脑区域中的表达。

研究中还发现许多性刺激后ＦＯＳ蛋白表达的区域是控制雌性性行为和繁殖功能不同
方面的区域。

在大鼠中，当具有性经验的雄性接触雌性但还没有开始骑跨时在内侧视前区尾部
内有ＦＯＳ蛋白的感应现象［２５］，在密闭的容器中为雄性提供动情或者不动情雌性弄脏的
垫料时该区也有感应［４1］。

相比之下，在大鼠、雄性仓鼠［３３，４2］、雄性沙鼠［３２］和雪貂［３４］中，随着交配中的插入和射精可能减少了ＦＯＳ蛋白阳性催产素神经元在前侧
和内侧分泌性细胞分区中的数量［４3］。

研究还发现ＦＯＳ蛋白离散集群只在特定的分区位置出现并且是在射精后而不是插入后就出现［２６，３２］。

在大鼠中，这些ＦＯＳ蛋白集群
的神经元通常出现在杏仁核外侧区、条纹终末核喙部、束旁丘脑核内侧。

表明射精后激活了特
定的脑部亚分区，射精能诱导ＦＯＳ蛋白在大脑特定区域有选择性的表达［２９］。

４ＦＯＳ蛋白的生物信息学分析
４．１人类ＦＯＳ蛋白
人类ＦＯＳ蛋白（ＧｅｎＢａｎｋ：ＣＡＡ２４７５６．１）的编码基因定位于染色体的
１４ｑ２１－３１，该基因有４个外显子和３个内含子，FOS蛋白为３８０个氨基酸的不稳定
核内磷酸化蛋白［４4］。

ＦＯＳ蛋白存在一个由８８个完全相同的氨基酸顺序组成的区域，这个区域包括一个能与ＤＮＡ结合的基本区和亮氨酸拉链结构。

通过Ｅｘｐａｓｙ进行一级结构
分析可知ＦＯＳ蛋白的分子式为Ｃ１７６７Ｈ２７７４Ｎ４８０Ｏ５８６Ｓ１８，相对分子质
量为４０６９５．４０，理论等电点ｐＩ４．７７，带正电残基（Ａｒｇ＋Ｌｙｓ）为３３个，带负电残基（Ａｓｐ＋Ｇｌｕ）为５１个。

该蛋白的不稳定系数为７８．８２，说明其不稳定。

脂肪系数为６５．３２，亲水性系数为－０．３７，消光系数为２１９３０，哺乳动物的网
织红细胞体外的半衰期为３０ｈ。

结构域预测发现其基本区域为亮氨酸拉链的ＢＲＬＺ蛋白，属于Ｂ－ＺＩＰ超家族。

利用ＳＯＰＭＡ对ＦＯＳ蛋白序列进行二级结构预测，结果表明，ＦＯＳ蛋白二级结构中
α－螺旋（Ａｌｐｈａｈｅｌｉｘ）占２６．８４％，β－折叠（Ｂｅｔａｔｕｒｎ）占１．０５％，延伸链（Ｅｘｔｅｎｄｅｄｓｔｒａｎｄ）占８．１６％，无规则卷曲（Ｒａｎｄｏｍｃｏｉｌ）占６３．９５％（图１）。

用Ｓｗｉｓｓｍｏｄｅｌ对其进行了三级结构预测和可视化分析（图２）。

该三级结构模
型中用于建立模型的氨基酸残基范围为１３８~２００位，该模型以２ｗｔ７Ａ（２．３０Ａ）蛋白为模板，序列同源性为１００％，Ｅ-ｖａｌｕｅ为１．４３ｅ－２８．
４．２大鼠ＦＯＳ蛋白
大鼠ＦＯＳ蛋白（ＮＣＢＩｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｅｑｕｅｎｃｅ：ＮＰ＿０７１５３３．１），ＦＯＳ蛋白的分子式为Ｃ１７７６Ｈ２７９１Ｎ４
８３Ｏ５９２Ｓ１７，肽链包含３８０ａａ，相对分子质量为４０９２６．６０，理论等电点ｐＩ４．８１，带正电残基（Ａｒｇ＋Ｌｙｓ）为３３个，带负电残基（Ａｓｐ＋Ｇｌｕ）为５０个。

该蛋白的不稳定系数为７６．６０，说明其不稳定。

脂肪系数为６５．２９，亲水
性系数为－０．４３，消光系数为２３４２０，哺乳动物的网织红细胞体外的半衰期为３０ｈ。

结构域预测发现其基本区域为亮氨酸拉链的ＢＲＬＺ蛋白，属于Ｂ－ＺＩＰ超家族。

二级结构预测结果表明，ＦＯＳ蛋白二级结构中α－螺旋（Ａｌｐｈａｈｅｌｉｘ）占
２７．６３％，β－折叠（Ｂｅｔａｔｕｒｎ）占１．０５％，延伸链（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
ｓｔｒａｎｄ）占８．６８％，无规则卷曲（Ｒａｎｄｏｍｃｏｉｌ）占６２．６３％（图３）。

用Ｓｗｉｓｓｍｏｄｅｌ对ＦＯＳ蛋白进行了三级结构预测（图４）。

该三级结构模型中
用于建立模型的氨基酸残基范围为１３８～２００位，该模型以２ｗｔ７Ａ（２．３０Ａ）蛋
白为模板，序列同源性为１００％，Ｅ－ｖａｌｕｅ为１．２６ｅ－２８．
４．３小鼠ＦＯＳ蛋白
该蛋白ＰＤＢＩＤ为２ＷＴ７，相对分子质量为２８３２９．８４，保守结构域基本区
域为亮氨酸拉链的ＢＲＬＺ蛋白，属于Ｂ－ｚｉｐ１超家族。

２ＷＴ７有４条链。

第一条链为
６３个残基的多肽，二级结构为９６％的α－螺旋。

第二条链为９０个残基的多肽，二级结构
为８４％的α－螺旋，其余两条链均为１６个残基。

从ＰＤＢ上下载其三级结构（图５）。

４．４ＦＯＳ蛋白的序列比对与系统进化树的建立
对大鼠ＦＯＳ蛋白进行Ｂｌａｓｔｐ比对，选择同源性较高或研究较多的动物ＦＯＳ蛋白
序列进行分析。

结果表明，与小鼠和金仓鼠（Ｍｅｓｏｃｒｉｃｅｔｕｓａｕｒａｒｕｓ）同源性最高，为９７％，其次为猩猩（Ｐｏｎｇｏａｂｅｌｉｉ）、野骆驼（Ｃａｍｅｌｕｓ
ｆｅｒｕｓ）各为９５％、人（Ｈｏｍｏｓａｐｉｅｎｓ）为９４％、黑猩猩（Ｐａｎｔｒ
ｏｇｌｏｄｙｔｅｓ）为９４％。

从ＮＣＢＩ的数据库中挑选２３个物种的ＦＯＳ蛋白序列用ＭＥＧＡ５．０绘制进化树，
结果显示大鼠与小鼠直接聚为一类，亲缘关系最近，这与序列Ｂｌａｓｔｐ的分析结果一致。

因此通过以上对大鼠、人及小鼠的ＦＯＳ蛋白进行对比可以看出，三者的同源性较高，结构和性质相似（图６）。

５讨论
目前，关于ＦＯＳ蛋白对细胞生命活动的研究取得了重要进展，尤其在各种应激反应对ＦＯＳ蛋白表达的影响及ＦＯＳ蛋白表达与一些疾病的相关方面，如冀群升等［１］研究发现ＦＯＳ蛋白与神经元的可塑性有关，它可以通过参与神经肽的调节影响细胞水平记忆的形成，方向义等［１３］在研究中也发现受到各种应激后在数分钟内中枢神经系统不同区域出现不同数量的ＦＯＳ蛋白表达，且各种急性应激所致小鼠空间学习记忆功能的改变与ＦＯＳ蛋白表达的上调有关［１８］。

而在研究性行为中也发现交配时一些与学习记忆相关的区域中ＦＯＳ蛋白也随之增加，如室旁核［１４，１５］、下丘脑视上核、下丘脑、杏仁核［１６］等，这提示ＦＯＳ蛋白可能与性行为中的学习记忆有关。

然而ＦＯＳ蛋白在这些尤其在性行为这一神秘的过程中是如何发挥作用的，这些作用又与哪些基因和蛋白有关等问题还有待深入研究。

由于从人类脑部取样困难，试验往往选用大鼠脑部作为试验材料，不仅因为大鼠基因组与人类基因组相似度达９０％，且大鼠脑量较大，取材方便，生物信息学分析发现大鼠、人及小鼠的ＦＯＳ蛋白的同源性较高，结构和性质相似。

尤其是大鼠和人类的ＦＯＳ蛋白、相对分子质量、等电点等均相差较小，立体结构高度相似，因此研究大鼠ＦＯＳ蛋白对研究人类ＦＯＳ蛋白的各种性质和功能有极大的参考意义，本次生物信息学分析也可为大鼠大脑作为人类ＦＯＳ蛋白研究的替代材料提供证据。

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