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研究意义:HPPRRS miRNA调控蛋白互作动态网络系统生物学机制及

已有 187 次阅读 2017-3-20 20:14 |个人分类:社会热点时评|系统分类:观点评述|关键词:研究意义, HPPRRS, miRNA调控, 蛋白互作, 动态网络, 系统生物学, 分子机制,凋亡通路

研究意义:HPPRRS miRNA调控蛋白互作动态网络系统生物学机制及miR-10b/125a/331/let-7c-Bcl-G-JAB1/MNSFβ凋亡新通路分析

张德礼

西北农林科技大学动物医学院,陕西杨凌712100

重大动物疫病,特别是重大呼吸道病毒病严重威胁生猪生产 [1],例如高致病性猪蓝耳病(HPPRRS[2] 实际需要解决的HPPRRS感染突出问题与善于解决复杂性疾病调控机理的miRNA与动态蛋白质组数据整合的miRNA调控蛋白互作动态网络的系统生物学分子机制分析技术手段的结合促成了本项立题。 

本项目立题来自猪业生产实际的迫切需要,HPPRRS感染是养猪业的首患,其持续性感染致病、急性免疫应答异常(初期过强)但随后进入免疫抑制状态的极其复杂机制的阐明是开辟防控研究新途径的关键所在。而疾病复杂性机制的解析只有用以各种生物组学、生物信息学、计算与实验生物学为多学科基础的系统生物学技术、思路与策略才有可能[3-13]。同时,解决复杂性疾病机制正是系统生物学手段的优势与强项[14-15]天然免疫应答异常(初期过强)的呼吸道RNA病毒病发病机理越复杂才越彰显采用系统生物学手段的必要。当然,新世纪迅速发展起来的系统生物学技术手段目前仍处在幼儿期,但只要能解决一点问题就是明显的进步,对复杂性病毒病更是如此。本项目以病毒感染致病过程中miRNA调控蛋白互作动态网络的计算系统生物学分析为手段,主要靠分子细胞生物学功能实验验证来定论, 可为病毒感染致病机制研究打下可靠基础,提供有效线索。

蛋白质是生命活动的执行者,行使主要生理机能。在疾病状态下,蛋白质功能、空间结构、化学修饰甚至折叠都会发生改变,相互作用蛋白质机器及与核酸和活性小分子作用调控形式也会发生改变,即分子病理学改变。因此, HPPRRSV感染仔猪肺泡巨噬细胞(PAM病变的动态蛋白组学测定,从而获得蛋白互作动态网络的系统生物学分子机制模型,成为疾病生物网络的核心基础。同时,只有根据蛋白质拓扑结构才可实施计算功能蛋白质组学,而miRNA 无拓扑结构无法计算功能,但测定简易经济,按作用蛋白靶标等联系蛋白互作机器,可以得到本身调控功能信息,搜寻到功能十分重要的关键蛋白及信号通路,起到这种重要作用的 miRNA也就被确定为关键miRNA,当然是通过系列分子有机整合形成功能模块,即网络motif,实现其作用的。

本实验室完成“猪miRNA调控蛋白质相互作用双色网络预测及呼吸道病毒病系统生物学分子机制分析[王芬。《西北农林科技大学》生物信息学专业博士学位论文。2014]我们预测出猪的蛋白质相互作用网络,并构建出miRNA调控蛋白质相互作用的双色网络,利用HuN4HPPRRSV感染仔猪蛋白质组、PAM磷酸化蛋白组与miRNA组数据和和甲型H1N1亚型猪流感病毒(SIV)感染猪PAM miRNA组深度测序数据,网络分析了HPPRRSVH1N1亚型SIV感染猪的系统生物学分子机制。进一步深化可从下面4个方面考虑,也是申请项目的研究意义之所在:

1)研究miRNA调控猪蛋白质相互作用动态网络可以扩展到以下三方面:第一,改进miRNA靶标预测方法,有人提出整合蛋白质相互作用网络的数据可能改善miRNA的靶标预测。第二,通过整合miRNA靶标数据改善对信号通路的探测,miRNA调控与癌症相关的信号通路被广泛研究。相反,可以用这种调控机制来反推信号通路,为miRNA调控信号转导通路提供理论支持。第三,通过整合蛋白质相互作用网络和miRNA的靶标数据可以改善蛋白质功能预测的方法。整合miRNA调控数据可以使得目前蛋白质功能的预测更具有生物学意义,还可以提高预测的准确性。

2)如果细胞遭到外界的侵袭,细胞就不能正常发挥功能,从而生物网络也会遭到破坏。我们一些预测关键 miRNA和关键蛋白质已经和正在得到国内外同行发表论文验证,说明其价值及进一步深化研究重要性。

3)关键蛋白质是生物网络中非常重要的蛋白,而由于目前的蛋白质相互作用数据不完整再加上存在很多假阳性数据,并不能代表真实的网络,对关键蛋白的分析可能比较粗糙。因此,开发准确预测关键蛋白的新方法也是我们下一步需要努力的目标。

4)miRNA的调控机制在生物学中具有举足轻重的作用,而由于猪的miRNA的数据不完整并且存在很多假阳性,构建的猪的miRNA调控网络不够完整和准确。因此,开发出新的预测方法,构建出猪的完整的miRNA调控蛋白质相互作用网络是未来的一个研究方向。

    基于这些实际需求,申请本项目,无论科学数据驱动动态网络预测,还是科学假设驱动凋亡通路作用机制,都在前期基础上延续,并且相互促进完善系统生物学分子机制模型系统。在前期我们类似呼吸道RNA病毒病miRNA调控蛋白互作动态网络的系统生物学分子机制预测研究基础上,结合基因本体论(Gene Ontology)电子克隆新基因编码猪的互作蛋白Bcl-G-JAB1/MNSFβ/MELK功能研究结果:Bcl-GJAB1MNSFβ各自或协同促凋亡作用,而MELK单独促凋亡作用不具有显著统计学意义,反而能抑制Bcl-G促凋亡作用提出miR-10b/125a/331/let-7c-Bcl-G-JAB1/MNSFβ凋亡新通路,分析在HPPRRSV感染仔猪PAM细胞中的作用及分子机制,有助于认识该病毒侵染致病机制与复制增殖关系,可以完善我们的系统生物学机制分析模型系统,也是从实验生物学角度理解HPPRRS发病机制所需示范的。

很明显,前期我们类似研究HPPRRS miRNA调控蛋白互作动态网络系统生物学机制分析得出miR-10b/125a/331/let-7cmiR-10a/125b以及细胞凋亡在HPPRRSV侵染致病中均发挥重要作用,近年发表论文又实验证明miR-10a/125b抑制感染初期病毒复制,可作为相反作用对照研究miR-10b/125amiR-31/let-7c等各自或一定程度方式协同调控(初期负调控抑制)Bcl-G-JAB1/MNSFβ促凋亡作用,从而影响HPPRRSV侵染PAM致病、复制增殖甚至免疫逃逸、免疫抑制形成持续性感染过程,连通miR调控相互作用蛋白质机器协同促凋亡作用,最终发现miR-10b/125a/331/let-7c-Bcl-G-JAB1/MNSFβ凋亡新通路在HPPRRSV侵染致病中的作用及分子机制。可见,本项目数据驱动理论结合实验,验证信息学理论推断后结合实验提出科学假设,再接受实验验证,可以完善分子机制分析模型体系,其完成对HPPRRS的防治提供理论依据。

病毒感染、复制增殖与细胞凋亡是密切联系而又关系复杂的几个事件。我们前期类似研究结果表明,细胞凋亡与HPPRRSV侵染致病机制关系密切,选用为研究对象顺理成章。miR-10b/125a/331/let-7c-Bcl-G-JAB1/MNSFβ凋亡新通路验证关键在4miRNA协同调控Bcl-G成立,miR-10b/125a/331/let-7c以及对照miR-10a/125bBcl-G上均有作用靶标,在互作JAB1/MNSFβ及其作用基本相反MELK均无作用靶标,在与Bcl-G促凋亡作用相反Bcl-2上只有miR-125a/125b有作用靶标,而miR-10a/10b/331/let-7c则无作用靶标,也就理论上鉴定了miR-10b/125a/331/let-7c各自甚至一定程度协同调控Bcl-G的可能,而不受抑制凋亡作用Bcl-2干扰影响。当然,miR-125a作用靶标Bcl-2则抵消同时调控Bcl-G的作用,从而陷入矛盾境地,但机体可能通过无视作用靶标Bcl-2而缓解矛盾。同时,即使miR-125a作用靶标Bcl-2,也是生物机制复杂多样性的体现,鉴于HPPRRS侵染致病机制复杂多样性,急性感染,病理变化剧烈,死亡率高,还很可能免疫抑制,逃逸免疫的HPPRRSV,在病理恢复耐过后可能持续性感染。

也正因为miR-125a/125b家族作用双向性,以及HPPRRS发病机制复杂多样性,在选定其它3个作用可能相对简单miR-10b/331/let-7c为研究组合对象时纳入miR-125a,才适应HPPRRSV感染仔猪PAM病变复杂多样性,得出复杂多样影响侵染致病过程相应细胞凋亡作用机制,将具有更大理论与实用价值。

HuN4HPPRRSV感染PAM病变中miR-10b/125a/331/let-7c-Bcl-G-JAB1/MNSFβ凋亡新通路的作用,初期这些miR负调控相互作用促凋亡蛋白质复合体Bcl-G-JAB1/MNSFβ中的Bcl-G,从而抑制凋亡利于病毒增殖,随着感染进程,miR负调作用减弱直至消失,甚至直接促进凋亡,蛋白复合体促凋亡作用恢复,理论上抑制病毒复制,实际上更利于病毒增殖,细胞通过凋亡死亡,细胞通讯和病毒复制更高效,病毒感染增殖加剧,免疫抑制和免疫逃逸后持续性感染发生,细胞组织急性死亡病毒失去有效复制场所,病毒复制增殖减弱,动物濒死导致复制减弱直至停息,或耐过则免疫低下持续性感染。基于此科学假设,此凋亡通路作用机制研究立论依据明确,得到证实对HPPRRS防控具有理论指导作用,或可确定靶点实际干预起到防治作用,价值意义明显。




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2 徐令予 张海鹏

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