鹅新型坦布苏病毒囊膜蛋白的二级结构与B细胞表位预测

韩凯凯+李银+黄欣梅+等

摘要：以鹅坦布苏病毒（goose Tembusu virus，GTMUV）的囊膜蛋白基因序列为基础，采用Chou-Fasman法、Garnier-Robson法和Karplus-Schulz法预测蛋白质的二级结构，采用Kyte-Doolittle方案、Emini方案和Jameson-Wolf方案预测鹅坦布苏病毒囊膜蛋白的B细胞表位。结果表明，鹅坦布苏病毒囊膜蛋白肽链的35～41、80～89、148～159、245～251、314～320、392～402和475～482区段为预测的B细胞表位优势区。综合研究结果，利用多参数方案综合预测E蛋白的B细胞抗原表位为进一步鉴定表位及设计疫苗奠定了基础。

关键词：坦布苏病毒；囊膜蛋白；二级结构；B细胞表位

中图分类号： S858.335.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0166-03

收稿日期：2013-09-13

基金项目：国家自然科学基金（编号：31172345）；江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（12）5048]。

作者简介：韩凯凯（1983—），男，河南新乡人，博士，助理研究员，主要从事家禽病毒分子生物学研究。E-mail：hankk0917@126.com。

通信作者：李银，博士，研究员，主要从事家禽疫病流行病学和防治相关的研究。E-mail：muziyin08@163.com。2010年春季以来，上海、浙江、江苏等地相继暴发了一种导致鸭鹅产蛋量急剧下降的新发疾病，发病鸭鹅主要表现为高热、运动障碍、食欲下降甚至废绝、产蛋下降甚至停止，死亡率可达 5%～10%[1]。其典型病理变化表现为鸭鹅的卵巢先发生出血、萎缩、破裂，患病后期出现神经症状，倒地震颤，最终衰竭死亡。该病传播迅速、波及面广，几乎席卷了整个水禽养殖密集地区，给我国鸭鹅养殖业造成了巨大损失[2]。目前已证实，引起该病的病原为坦布苏病毒（Tembusu virus，TMUV）[3]。坦布苏病毒属于黄病毒科（Flaviviridae）不分节段的单股正链 RNA 病毒，含有单一的开放读码框，编码 结 构 蛋 白（C、 PrM、E）和 非 结 构 蛋 白（NS1、NS2A、NS2B、NS3、NS4A、NS4B、NS5），其中E蛋白是坦布苏病毒的囊膜蛋白，由 500个氨基酸组成，在病毒的吸附、融合、细胞趋向性、病毒毒力和诱导保护性免疫反应中起重要作用[4]。测定E蛋白的晶体结构发现，它在空间上可以形成3个不同的结构域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区）。在乙型脑炎病毒E蛋白抗原表位研究中，Kolaskar等认为，E蛋白的三维结构域Ⅲ（292～402 aa）集中许多抗原中和表位[5]。Seif等通过分段表达E蛋白，证明了中和表位存在于 E373-399位的27个氨基酸序列内[6]。Wu等研究发现，JEV的中和位点主要集中在EⅢ的E307-309、E327-333、E386-390这3个区域内[7]。由于该病毒的发现时间不长，其主要蛋白抗原表位研究尚未见报道。有学者提出，蛋白质的二级结构、亲水性、柔韧性、抗原性、表面可及性等特性与B细胞抗原的表位分布存在密切联系[8]。本试验首次应用生物信息技术对鹅坦布苏病毒（goose Tembusu virus，GTMUV）E蛋白基因推导的肽链进行蛋白质二级结构和B细胞表位的预测分析，旨在为坦布苏病毒E蛋白功能的研究、抗体的制备及分子疫苗的设计等提供理论基础。

1材料与方法

1.1试验材料

预测所使用的坦布苏病毒毒株来自鹅源JS804株，其病毒开放阅读框氨基酸序列由笔者所在实验室测定，共有500个氨基酸残基，GeneBank登录号为JF895923。

1.2试验方法

先用单参数对毒株E蛋白的结构及性质进行预测，再采用不同的参数对E蛋白的二级结构及B细胞表位进行综合预测和分析。

1.2.1GTMUV E蛋白二级结构预测应用DNAStar软件的protean模块进行二级结构预测。采用Chou-Fasman法从氨基酸残基的晶体结构来预测蛋白质的二级结构；用Garnier-Robson法计算特定氨基酸残基在特定结构内部的可能性；用Karplus-Schultz法预测蛋白质骨架区的柔韧性。其中各参数的意义见相关文献[9-10]。

1.2.2GTMUV E蛋白B细胞抗原表位预测用DNA Star软件Protean程序预测B细胞抗原表位；用Kyte-Doolittle方法，同时依据氨基酸组成预测蛋白的亲水区和疏水区；用Emini方法预测特定区域于蛋白质表面的可及性；用Jameson-Wolf法预测蛋白的抗原指数，同时根据http：//tools.immuneepitope.org/tools/bcell/iedb_input网址中的Kolaskar-Tongaonkar法预测蛋白的平均抗原表位指数。结合蛋白的亲水性、表面可及性、柔韧性、抗原指数等对测定结果进行综合分析。综合预测结果，预测鹅坦布苏病毒E蛋白的潜在优势B细胞抗原表位，其中各参数的意义参考相关文献[11-13]。

2结果与分析

2.1GTMUV E蛋白的氨基酸序列

鹅坦布苏病毒E蛋白基因编码500个氨基酸，其理论分子量为54.38 kDa，理论等电点pI为7.32，存在跨膜区域。通过http：//prosite.expasy.org/scanprosite/在线服务器预测表明，该蛋白有N_糖基化位点、蛋白激酶C磷酸化位点、酪蛋白激酶II磷酸化位点和N-豆蔻酰化位点。

2.2GTMUV E蛋白二级结构的预测

采用DNAStar软件的Chou-Fasman法、Garnier-Robson法以及Karplus-Schultz法对E蛋白的二级结构进行预测，结果见图1。

Garnier-Robson法预测结果显示，E蛋白有14个α-螺旋，32个β-折叠区域。Chou-Fasman法预测结果显示，E蛋白有16个α-螺旋，23个β-折叠区域。2种方法预测出的α-螺旋均较β-折叠数量少；2种方法预测的α-螺旋共有12个，分别位于41～57、79～81、87～92、117～120、133～144、157～165、179～181、239～252、261～267、285～296、412～417、468～478区段上；2种方法预测的β-折叠区域共有20个，分别位于1～4、20～25、31～36、62～38、166～170、186～189、201～205、270～274、299～302、310～314、322～328、338～341、254～359、381～386、391～397、423～425、435～438、443～448、482～486、491～496区段上。同时发现，Garnier-Robson法预测的β-转角区域远远少于Chou-Fasman法，Gamier-Robson法预测的无规则卷曲分布区段相对集中，主要位于15～17、145～148、226～239、456～461区段上。

2.3柔韧性区域分析

利用Karplus-Schultz法预测E蛋白骨架区的柔韧性，由结果可知，E蛋白骨架区含有分布较均匀的柔韧性区域，肽链中具有较高表面可及性的区域主要在62～78、92～104、225～239、273～286、313～322、362～370和399～416区段上（图2）。由于这些蛋白肽段的柔韧性较大，发生扭曲、折叠的概率较高，因此形成表位的可能性较大，容易与抗体进行嵌合。

2.4E蛋白的B细胞抗原表位预测分析

2.4.1E蛋白的亲水性预测分析利用Kyte-Doolittle方法预测E蛋白的亲水性，结果显示，E蛋白具有较高的亲水性，亲水性区域的分布较均匀，主要分布在E蛋白肽链的36～45、60～104、119～137、147～165、174～199、207～251、275～309、310～320、391～405和475～483区段上（图3）。B细胞抗原表位多位于蛋白外侧，而亲水氨基酸残基多位于蛋白表面，因此该区段位于蛋白表面的可能性最大，作为抗原表位的概率也最高。

2.4.2E蛋白的表面可及性预测分析利用Emini方法进行E蛋白的表面可及性分析，结果表明，E蛋白肽链中具有较高表面可及性的区域在7～12、34～41、80～89、123～126、130～136、148～163、233～239、245～250、315～319、392～402和476～481区段上（图4）。由于这些区域可能位于蛋白分子表面，因此有可能形成表位。

2.4.3E蛋白的抗原指数及抗原表位指数预测分析应用DNAStar软件，采用Jameson-Wolf方法对E蛋白的抗原性进行预测。从图5的分析可见，E蛋白存在有多个潜在的抗原表位位点，具有较高抗原指数的区域在6～19、26～31、33～44、61～89、92～105、108～115、118～137、144～159、172～177、179～186、189～199、226～251、257～262、273～301、312～322、330～339、344～355、376～383、388～395、397～418和475～484区段上。Kolaskar-Tongaonkar法预测的E蛋白平均抗原表位指数为1. 027，详见图6。

2.5E蛋白B细胞抗原表位综合预测

通过对鹅坦布苏病毒E蛋白的二级结构、亲水性、柔韧性、抗原指数、表面可及性等参数分析显示，若抗原表位指数≥1.027，亲水性指数≥0，氨基酸的抗原表位可及性指数≥1，且区段内部或附近具有柔韧性结构，则这一区段为抗原表位的可能性较大。按照如上方法筛选表明，在E蛋白肽链的第35～41、80～89、148～159、245～251、314～320、392～402和475～482区段上，各种方案预测的结果基本一致，且在蛋白二级结构上含有较易形成抗原表位的转角和无规则卷曲结构。因此可以推测，E蛋白的B细胞抗原表位可能在以上区域内或附近。

3结论与讨论

B细胞识别蛋白抗原时，是以其表面的B细胞抗原受体（BCR）与蛋白抗原表位结合，此过程与抗原抗体的结合类似。作为B细胞的抗原表位，应位于或易于移动到蛋白抗原表面，有利于与B细胞抗原受体或抗体结合；同时还要有一定柔韧性，因为抗原与抗原受体或抗体的结合是一个相互嵌合的过程。因此，预测B细胞抗原表位时主要从蛋白质的二级结构、柔韧性、表面可及性和亲水性等几个方面入手。蛋白质二级结构与表位分布关系密切，在蛋白质结构中作为骨架起稳定作用的主要是α-螺旋和β-折叠，而决定蛋白质功能与抗原表位分布的则多是β-转角和无规则卷曲[14]。

由于螺旋区段和折叠区段的化学键能较高，主要维持蛋白的高级结构，且经常位于蛋白质内部，很难较好地与抗体嵌合，不易形成抗原表位；而转角区域和无规则卷曲区域的结构是比较松散的结构，易于发生扭曲、盘旋，并多位于蛋白质分子表面，有利于与抗体嵌合，成为抗原表位的可能性较大。蛋白质的柔韧性是指蛋白抗原构象不是刚性不变的，其多肽骨架有一定程度的活动性；亲水性分析结合二级结构预测已被广泛应用于抗原表位分析[15]。

本研究采用Chou-Fasman法和Garnier-Robson法预测鹅坦布苏病毒蛋白的二级结构，利用Karplus-Schulz法预测其柔性区域，利用Kyte-Doolittle方法预测E蛋白的亲水区和疏水区。结果显示，鹅坦布苏病毒E蛋白的二级结构较为复杂，且α-螺旋和β-折叠分布相对均匀，含有较多的转角和无规则卷曲等柔性区域，这些柔性区域的存在为抗原表位的确定提供了有力的证据。同时，与这些区域相对应的亲水性、柔韧性、抗原指数和表面可及性等参数也较高，因此预测这些区段应是潜在优势B细胞抗原表位所在区段。需要注意的是，一个蛋白质中某段氨基酸序列能否诱导体内产生抗体是多种复杂因素共同作用的结果。B细胞抗原表位，尤其是其构象表位，主要是通过三维立体结构来展现其抗原性，而生物信息学分析软件主要是对其二级结构进行预测，因此用于预测构象依赖型表位有一定的局限性。本试验的预测结果只能作为鉴定鹅坦布苏病毒E蛋白潜在表位的参考，预测结果正确与否还有待于科学研究证实。即便如此，通过生物信息学的方法对E蛋白进行预测，不仅可以了解坦布苏病毒E蛋白抗原的结构、功能、抗原抗体反应等有关免疫反应的诸多信息，而且对诊断试剂研发、药物制备和核酸疫苗设计等也具有指导意义。

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