Artykuł metodologiczny

Analizy bioinformatyczne i przewidywanie epitopów komórek B/TH białka alergenu pyłku bylicy pospolitej Art V 1

DOI:

10.3791/66517

⸱

22 grudnia 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Basic Medicine, Ningxia Medical University, 2Preparation Center, General Hospital of Ningxia Medical University, 3Department of Pharmacy, General Hospital of Ningxia Medical University, 4Institute of Neurological Diseases, Shizuishan First People's Hospital, 5Department of Pharmacy, People's Hospital of Ningxia Hui Autonomous Region

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy protokół do przeprowadzenia analizy korelacji bioinformatycznej w celu przewidywania właściwości fizykochemicznych, struktury drugorzędowej oraz epitopów komórek pomocniczych B i T głównego alergenu pyłku bylicy Art v 1, aby zapewnić teoretyczne podstawy do późniejszego rozwoju szczepionki przeciwalergicznej na pyłki artemizji i leczenia choroby.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aby przeanalizować charakterystykę sekwencji białka Art v 1 alergenu pyłku bylicy i przewidzieć jego epitopy komórek B i Th (pomocniczych limfocytów T), sekwencję genów i sekwencję aminokwasów białka Art v 1 uzyskano poprzez odniesienie do Genebank. Do analizy i przewidywania właściwości fizykochemicznych, regionu transbłonowego, struktury drugorzędowej, struktury trzeciorzędowej oraz epitopów komórek B i Th komórek B białka wykorzystano Prot Param, TMHMM, DNAstar Protean, Swiss-Model, UCLA-DOE LAB SAVES v6.0 i IEDB firmy ExPASy.

Białko Art v 1 składa się ze 132 reszt aminokwasowych, względna masa cząsteczkowa wynosi 13404.26, wzór cząsteczkowy to C584H903N157O181S12, wartość pI wynosi 7.49, wskaźnik rozpuszczalności lipidów wynosi 41.59, a indeks hydrofilowy wynosi -0.454, co jest uważane za białko hydrofilowe. Wskaźnik niestabilności (ii) wynosi 78,11, co jest klasyfikowane jako białko niestabilne. N-koniec białka ma α-helisowy region transbłonowy, który znajduje się w sekwencji reszt aminokwasowych 5-27, a pozycja 1-24 to sekwencja peptydu sygnałowego. Istnieją losowe zwoje, zwoje β, α-helisa i β-arkusze, a także zawierają struktury regionów hydrofilowych, elastycznych i powierzchni dostępnych powierzchni.

Wyniki przewidywania struktury trzeciorzędowej są zgodne z wynikami analizy struktury drugorzędowej. Przewidywano pięć dominujących epitopów komórek B, którymi były Art v 1 71-87, Art v 1 33-49, Art v 1 104-120, Art v 1 95-111 i Art v 1 86-102. Było pięć epitopów z dominacją limfocytów Th, którymi były Art v 1 2-16, Art v 1 3-17, Art v 1 4-18, Art v 1 5-19 i Art v 1 6-20. Przewiduje się, że białko Art v 1 ma dobrą antygenowość ze względu na obecność epitopów limfocytów B i komórek Th.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bylica, rodzaj Artemisia in Compositae, jest szeroko rozpowszechniony w Mongolii Wewnętrznej, Gansu i innych regionach Chin1. Różne choroby alergiczne wywołane przez pyłki bylicy są zwykle alergiami typu I spowodowanymi powtarzającym się narażeniem osób atopowych na alergeny pyłkowe i wytwarzanie bioaktywnych mediatorów, co skutkuje nieżytowym zapaleniem błony śluzowej nosa, spojówek i oskrzeli, a nawet atakami astmy2. Podkomitet Nomenklatoryki Alergenów WHO/IUIS3 oficjalnie uznał obecnie siedem alergenów bylicy, a mianowicie Art v 1-Art v 6 i Art AN 7. Białko Art v 1 jest jednym z głównych czynników przyczyniających się do alergii na pyłki bylicy. Ma masę cząsteczkową 24-28 kDa i może być rozpoznany przez 95% osób uczulonych na pyłek bylicy4. Składa się z N-końcowej domeny podobnej do beta-defensyny, która jest połączona z C-końcowym ogonem bogatym w prolinę. Defensyny reprezentują endogenne polipeptydy przeciwdrobnoustrojowe, które ulegają ekspresji w kilku eukariontach5.

Obecnie, immunoterapia alergenowa (AIT) jest jedynym leczeniem etiologicznym, które może zmienić naturalny przebieg chorób alergicznych, oprócz uniknięcia ekspozycji na alergeny6. Rosnące rozpowszechnienie chorób alergicznych w ostatnich dziesięcioleciach podkreśla znaczenie podstawowych i klinicznych badań nad cząsteczkami alergenów i ich potencjalnymi zastosowaniami w diagnostyce i leczeniu alergii. Wiele alergenów stosowanych w AIT należy do białek rekombinowanych, których właściwości fizyczne, chemiczne i immunologiczne są odpowiednie do produkcji szczepionek alergenowych o obniżonej alergenności. Dlatego AIT jest uważany za podstawowy sposób skutecznego zapobiegania i leczenia chorób alergicznych, ponieważ szczepionki przeciwalergiczne są stosunkowo łatwe do wyprodukowania przy niskich kosztach7. Jednak opracowanie szczepionek w przeszłości zależało wyłącznie od biologii molekularnej i eksperymentów immunologicznych. Ponadto identyfikacja epitopu jest niezbędna do opracowania szczepionki, a najbardziej wiarygodnymi metodami identyfikacji epitopu są obecnie krystalografia rentgenowska i techniki NMR; Są one jednak czasochłonne i kosztowne8. W związku z tym do przewidywania epitopów zastosowano metody i narzędzia obliczeniowe, których zaletą jest niski koszt i duża szybkość.

Ten artykuł opisuje metodę analizy korelacji bioinformatycznej do przewidywania właściwości fizykochemicznych, struktury drugorzędowej, struktury trzeciorzędowej i epitopów komórek B/Th głównego alergenu pyłku bylaka Art v 1. Zapewni to teoretyczne podstawy do późniejszego opracowania szczepionki przeciwalergicznej przeciwko pyłkowi artemizji i leczenia choroby.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Właściwości fizyczne i chemiczne białka Art v 1

  1. Wprowadź AF493943.1 w Banku Genów (Tabela Materiałów), aby uzyskać sekwencję aminokwasową białka Art v 1 (Plik uzupełniający 1-Rysunek uzupełniający S1).
    UWAGA: Białko Art v 1 zawiera 132 aminokwasy, które są kodowane przez 624 pz sekwencji genów. Jego sekwencja aminokwasowa (AAO24900.1) to MAKCSYVFCAVLLIFIVAIGEMEAAGSKLCEKTSKTYSG
    KCDNKKCDKKCIEWEKAQHGACHKREAGKESCFCYF
    DCSKSPPGATPAPPPAAGGSPPADGGSPP
    PPADGGSPPVDGGPPPSTH.
  2. Uruchom narzędzie Expasy ProtParam (Tabela materiałów), wprowadzając sekwencję aminokwasów białkowych Art v 1, o której mowa w kroku 1.1. Kliknij przycisk Oblicz parametry, aby wyświetlić skład aminokwasów, liczbę atomową, wzór cząsteczkowy, względną masę cząsteczkową, ładunek dodatni i ujemny, punkt izoelektryczny i wskaźnik niestabilności (plik uzupełniający 1 - rysunek uzupełniający S2).
    UWAGA: Wskaźnik niestabilności wynosi <40, co oznacza, że białko jest stabilne; Wartość > 40 oznacza, że białko jest niestabilne9.

2. Przewidywanie regionu transbłonowego i peptydu sygnałowego białka Art v 1

  1. Wprowadź wyżej wymienioną sekwencję aminokwasów białkowych Art v 1 w oprogramowaniu online TMHMM Server v.2.0 (Tabela materiałów). Wybierz Obszerny, z grafiką jako formatem wyjściowym, kliknij Prześlij, aby wyświetlić strukturę błony i uzyskać fizyczną i chemiczną charakterystykę białka transbłonowego (Plik uzupełniający 1 - Rysunek uzupełniający S3).
  2. Wprowadź wyżej wymienioną sekwencję aminokwasów białkowych Art v 1 w narzędziu online serwera SignaIP5.0 (tabela materiałów). Wybierz Eukarya jako grupę organizmów i długie wyjście jako format wyjściowy, a następnie kliknij na Wyślij i wypełnij adres e-mail, aby otrzymać wynik przewidywanego peptydu sygnału białkowego (plik uzupełniający 1 - rysunek uzupełniający S4).

3. Przewidywanie struktury drugorzędowej białka Art v 1

  1. Aby przeanalizować hydrofilowość, dostępność powierzchniową, elastyczność i indeks antygenowy białka Art v 1, wprowadź AF493943.1 w GeneBank (Tabela materiałów) i kliknij identyfikator białka AAO24900.1 | FASTA. Skopiuj sekwencję FASTA do nowego pliku tekstowego i zmodyfikuj typ pliku jako FASTA (Plik uzupełniający 1 – Rysunek uzupełniający 5). Następnie uruchom moduł protean oprogramowania DNAstar i otwórz plik FASTA, aby wyświetlić drugorzędową strukturę białka Art v 1 (plik uzupełniający 1 - rysunek uzupełniający S6).

4. Przewidywanie struktury trzeciorzędowej i ocena konformacji białka Art v 1

  1. Aby przewidzieć trzeciorzędowy model struktury białka Art v 1, wprowadź wyżej wspomnianą sekwencję aminokwasów białka Art v 1 w oprogramowaniu online Swiss-Model (Spis materiałów), kliknij Szukaj szablonów, wybierz najwyższe podobne białko 2kpy.1.A jako szablon, kliknij Buduj modele | Model 01 i pobrać plik w formacie PDB (Plik uzupełniający 1 - Rysunek uzupełniający S7).
  2. Aby ocenić konformację modelowania homologicznego wyświetlaną w kroku 4.1, otwórz oprogramowanie online UCLA-DOE LAB SAVES v6.0 (Spis materiałów) i kliknij Wybierz plik, aby przesłać plik w formacie PDB w kroku 4.1 | Uruchamianie programów | Procheck | Wynik | Wykres Ramachandrana (Plik uzupełniający 1-Rysunek uzupełniający S8).

5. Przewidywanie epitopów komórek B białka Art v 1

  1. Aby przewidzieć epitop limfocytów B białka Art v 1, otwórz stronę internetową narzędzia online IEDB Analysis Resource (Tabela materiałów), kliknij Właściwości sekwencji antygenu, wprowadź wyżej wymienioną sekwencję aminokwasów białka Art v 1 i wybierz metodę Bepipred Linear Epitope Prediction 2.0, a na koniec kliknij Prześlij (Plik uzupełniający 1-Rysunek uzupełniający S9).
  2. Otwórz stronę internetową narzędzia online ABCpred (Spis materiałów), wprowadź wyżej wymienioną sekwencję aminokwasów białkowych Art v 1, 0,51 jako próg i 16 jako długość okna, które mają być używane do przewidywania, wybierz ON dla nakładającego się filtru i kliknij Prześlij sekwencję (Plik uzupełniający 1-Rysunek uzupełniający S10).

6. Przewidywanie epitopów komórek Th białka Art v 1

  1. Aby przewidzieć epitop limfocytów Th białka Art v 1, otwórz stronę internetową narzędzia online IEDB Analysis Resource (Tabela materiałów), kliknij MHC II Binding i wprowadź wyżej wspomnianą sekwencję aminokwasów białka Art v 1. Wybierz NetMHCllpan 4.1 EL (zalecany predyktor epitopów-2023.09) jako metodę przewidywania, człowieka jako gatunek/locus, DRB1*01:01 jako HLA-DR, allel, 15 jako długość, posortuj peptydy według rangi percentyla i kliknij Prześlij (plik uzupełniający 1 - rysunek uzupełniający S11).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oprogramowanie online ExPASy Prot Param Tool zostało użyte do fizykochemicznej i funkcjonalnej charakterystyki białka10. Długość otwartej ramki do odczytu tekstu wynosiła 624 pz, kodując 132 aminokwasy, kodując białka o łącznej liczbie 1 837 atomów i względnej masie cząsteczkowej 13 404,26. Wzór cząsteczkowy to C584H903N157O181S12, z czego trzy główne aminokwasy to prolina (Pro, 15,9%), alanina (Ala, 12,1%), glicyna (Gly, 11,4%), a pozostałe a...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Artemizja jest jednym z najważniejszych alergenów zewnętrznych w Chinach, a jej cząsteczki pyłku są małe, o średnicy 19-25 μm, które łatwo rozpraszają się przez wiatr i wytwarzają duże ilości proszku. Ponadto nasilenie objawów alergicznych pacjentów jest skorelowane z zawartością pyłków w powietrzu5. Art v 1 jest uważany za przełomowy alergen alergii na pyłki bylicy, a ponad 95% pacjentów z alergią na bylicę jest wrażliwych na Art v 1. W Chinach ~ 81% pacjentów z alergią na bylicę wykazuje dodatni...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Fundację Nauk Przyrodniczych Ningxia (2022AAC03601 i 2023AAC02087) oraz Fundację Badawczą Uniwersytetu Medycznego Ningxia (XM2019052).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ABCpredIndraprastha Institute of Information Technology, Indiehttps://webs.iiitd.edu.in/raghava/abcpred/ABC_submission.html
DNAstar Protean softwareDNASTAR, Inc.Wersja 7.1
Expasy ProtParam ToolSIB Szwajcarski Instytut Bioinformatykihttps://web.expasy.org/protparam/
GeneBankNarodowe Centrum Informacjihttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/
IEDB, Zasoby analityczneNarodowy Instytut Alergii i Choróbhttp://www.iedb.org/
SignaIP-5.0 SerwerDTU Health Techhttps://services.healthtech.dtu.dk/services/SignalP-5.0/
Szwajcarski model oprogramowania onlineBIOZENTRUMhttps://swissmodel.expasy.org/interactive
TMHMM SerwerDTU Health Techw wersji 2.0https://services.healthtech.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/
UCLA - DOE LAB OSZCZĘDZANAS Departament Energii Biuro NaukiWersja 6,0https://saves.mbi.ucla.edu/
, Biotechnologicznej , Zakaźnych

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Liu, D., et al. Recombinant expression of allergen Art la 3.0101 and Art la 3.0102 of Artemisia lavandulaefolia pollen and characteristics of serum specific IgE reactivity. J Clin Dermatol. 49 (07), 398-402 (2020).
  2. Sun, X. Expression, purification and crystallization of Mugwort pollen allergy-associated MHC proteins [D]. , Wuhan Polytechnic University. (2016).
  3. Goodman, R. E., Breiteneder, H. The WHO/IUIS Allergen Nomenclature. Allergy. 74 (3), 429-431 (2019).
  4. Razzera, G., et al. Mapping the interactions between a major pollen allergen and human IgE antibodies. Structure. 18, 1011-1021 (2010).
  5. Zabel, M., et al. Art v 1 IgE epitopes of patients and humanized mice are conformational. J Allergy Clin Immunol. 150 (4), 920-930 (2022).
  6. Peng, G., Han, X. Research progress of specific immunotherapy in atopic dermatitis. J Clin Dermatol. 46 (08), 602-604 (2017).
  7. Gao, Z., et al. Artemisia pollen allergy in China: Component-resolved diagnosis reveals allergic asthma patients have significant multiple allergen sensitization. Allergy. 74, 284-293 (2019).
  8. Sun, P., et al. Bioinformatics resources and tools for conformational B-cell epitope prediction. Comput Math Methods Med. , 943636(2013).
  9. Aqel, A. An integrated multi-pronged reverse vaccinology and biophysical approaches for identification of potential vaccine candidates against Nipah virus. Saudi Pharm J. 31 (12), 101826(2023).
  10. Verma, N. K., Singh, B. Insight from the structural molecular model of cytidylate kinase from Mycobacterium tuberculosis. Bioinformation. 9 (13), 680-684 (2013).
  11. Peters, B., Nielsen, M., Sette, A. T Cell epitope predictions. Annu Rev Immunol. 38, 123-145 (2020).
  12. Andreatta, M., Nielsen, M. Bioinformatics tools for the prediction of T-cell epitopes. Methods Mol Biol. 1785, 269-281 (2018).
  13. Jahn-Schmid, B., et al. Antigen presentation of the immunodominant T-cell epitope of the major mugwort pollen allergen, Art v 1, is associated with the expression of HLA-DRB1 *01. J Allergy Clin Immunol. 115 (2), 399-404 (2005).
  14. Liu, D. Species identification and allergen analysis of Artemisia SPP in northern China [D]. , China Medical University. (2019).
  15. Li, T., Bu, G., Xi, G. Effects of heat treatment on the antigenicity, antigen epitopes, and structural properties of β-conglycinin. Food Chem. 346, 128962(2021).
  16. Li, Y., et al. Bioinformatic prediction of epitopes in the Emy162 antigen of Echinococcus multilocularis. Exp Ther Med. 6, 335-340 (2013).
  17. Qiao, R., et al. Main characteristics and prediction of T-cell epitopes of mite Derp1 protein. Chin J Biologicals. 34 (08), 969-973 (2021).
  18. Ramana, J., Mehla, K. Immunoinformatics and epitope prediction. Methods Mol Biol. 2131, 155-171 (2020).
  19. Ma, F., et al. Advance on prediction methods of B cell antigen epitope. China Animal Husbandry & Veterinary Medicine. 43 (01), 63-67 (2016).
  20. Wang, X., et al. Salidroside, a phenyl ethanol glycoside from Rhodiola crenulata, orchestrates hypoxic mitochondrial dynamics homeostasis by stimulating Sirt1/p53/Drp1 signaling. J Ethnopharmacol. 293, 115278(2022).
  21. Hou, Y., et al. Salidroside intensifies mitochondrial function of CoCl2-damaged HT22 cells by stimulating PI3K-AKT-MAPK signaling pathway. Phytomedicine. 109, 154568(2023).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Art V 1 ProteinMugwort Pollen AllergenEpitope PredictionB Cell EpitopeTh Cell EpitopeBioinformatics AnalysisProtein Structure PredictionAmino Acid SequencePhysicochemical PropertiesTransmembrane Region
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły