IL-6基因结构和功能生物信息学预测*

于 欣，杨 震，楚元奎，张怡清，于美玲

(宁夏医科大学：1.临床学院检验系；2.临床学院心脏中心；3.药剂科，银川 750004)



·论 著·

IL-6基因结构和功能生物信息学预测*

于 欣1，杨 震2△，楚元奎1，张怡清1，于美玲3

(宁夏医科大学：1.临床学院检验系；2.临床学院心脏中心；3.药剂科，银川 750004)

目的 以白细胞介素(IL)-6为研究对象，对其基因结构和功能进行生物信息学分析。方法 采用生物信息学软件对基因编码的蛋白质结构、理化性质、信号肽、跨膜结构、亚细胞定位、二级结构及高级结构进行生物信息学分析。结果 IL-6为稳定亲水性跨膜蛋白，定位于细胞外， 二级结构以α-螺旋和无规则卷曲为主，有2个Ser和2个Thr可成为蛋白激酶磷酸化位点。结论 分析预测IL-6，在研究其参与高血压、炎性反应等方面有重要意义。

白细胞介素-6； 生物信息学； 基因结构

近年来，人类基因组计划和其他物种基因组计划使人类在生命科学领域，尤其是核酸和蛋白质等生物大分子的序列结构与功能等领域迅速积累了大量数据，由生命科学和信息技术等学科相结合形成的新兴交叉学科——生物信息学[1]。伴随分子遗传学在检验医学中的进步,某些临床遗传学研究已从简单的单基因疾病转向复杂的多基因疾病，如心血管疾病、高血压、各种肿瘤及炎性反应等[2]。白细胞介素(IL)-6是具有多种生物活性的细胞因子，也是与内分泌、炎性反应关系最为密切的炎性因子[3]，其以自分泌、旁分泌等多种形式对不同器官产生不同生物学效应。笔者采用生物信息学软件分析IL-6不同特点，为研究其与高血压等临床常见疾病发生发展相关关系提供思路。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 以登陆序列号(NP_000591.1)在Genbank数据库检索得到人蛋白序列。

1.2 方法 采用在线获取生物信息学软件protparam 分析IL-6蛋白的物理和化学特性；采用软件TargetP(由丹麦TeKniske大学生物学序列分析中心提供)和PSORTⅡ综合分析其亚细胞定位；采用软件SignalP4.0分析信号肽；采用TMHMM2.0 Sever对IL-6跨膜结构进行预测；采用Netphos2.0 Server和NetOGlyc4.0 Server对其磷酸化位点和糖基化位点进行前瞻性分析；采用软件Smart在线预测IL-6保守结构域；采用DNAStar在线分析其二级结构及抗原系数。所有在线工具网址见文献[1,4]。

2 结 果

2.1 IL-6蛋白理化性质的预测分析 采用软件protparam对IL-6蛋白的理化性质进行预测分析，发现IL-6由212个氨基酸组成，分子式为C1 049H1 685N283O321S10，相对分子质量为23 718.2×103，理论等电点pI为6.17。在构成IL-6蛋白的20种氨基酸中，Leu所占成分比例最高，占13.2%；而His和Trp比例较少，分别占0.9%和0.5%；未发现Pyl和Sec。带负电荷氨基酸残基数为24，带正电荷氨基酸残基数为23；不稳定系数为57.7。依据Guruprasad方法，分析结果提示IL-6蛋白不稳定性；脂肪系数为87.5，属于脂溶性蛋白；总平均亲水性为(-0.271 0)，见图1。

图1 IL-6氨基酸组成

2.2 IL-6蛋白信号肽分析 IL-6分泌蛋白N端15～35位氨基酸的疏水性短肽区域可引导蛋白质的肽链通过内质网进入腔内，此疏水短肽即为信号肽。本研究采用SignalP4.0对IL-6蛋白信号肽进行预测。首先，输入前70个氨基酸，采用神经网络模型NN和隐马尔可夫模型HMM进行预测，随后给出Y、C、S-score计测结果，通过Y最大值判断分析信号肽剪切位点；通过S平均值判断分泌蛋白(若S平均值高于0.500，则为分泌蛋白，且存在信号肽)。预测表明，C结果值为0.257，Y结果值为0.477，S结果值为0.963，其剪切位点位于27～28位氨基酸，且S平均值0.887，说明IL-6是具有信号肽的分泌蛋白。

2.3 IL-6蛋白跨膜结构预测 膜蛋白常有胞外区、跨膜区和胞内区等。跨膜区为蛋白的细胞膜内部分，可1个或多个。笔者采用生物TMHMM2.0 Sever对IL-6蛋白跨膜结构进行分析，结果表明，IL-6蛋白可能是由跨膜区(5～27位氨基酸)、胞外区(1～405位氨基酸处于细胞膜表面)及胞内区(28～101位氨基酸)构成的膜蛋白。

2.4 IL-6蛋白的疏水性预测分析 采用软件protscale分析IL-6蛋白疏水性，结果显示该蛋白多肽链第18号分值最高(2.756，疏水性最强)；第83号分值最低(-2.422，亲水性最强)。比较亲水性区域和疏水性区域，发现前者区域显著大于后者疏水性区域，提示IL-6蛋白是1种亲水性蛋白。见图2。

图2 IL-6蛋白的疏水性预测分析

2.5 IL-6蛋白的亚细胞定位分析 把IL-6蛋清蛋白序列输入软件TargetP，序列来源项选择noplant ，其他选项用默认值。结果表明，该蛋白大部分集中在细胞其他位置。进一步采用软件PSORTⅡ的the k-NN Prediction分析，基本确认IL-6蛋白分子属于分泌蛋白，分别在胞核(占43.5%)、细胞质(占39.1%)、细胞骨架(占8.7%)、线粒体(占8.7%)中发挥生物学作用。

2.6 IL-6蛋白翻译后修饰位点分析 真核生物中，蛋白质翻译后修饰过程常见有糖基化和磷酸化2种。糖基化通常修饰天冬酰胺上N端，其氨基酸特征序列为Asn-X-Ser-Thr(X可表示为任一种类氨基酸)。机体某些蛋白需要糖分子/糖链等与其他分子相互作用发挥生物学作用。磷酸化多具有功能开关作用，当机体蛋白被磷酸化后才具备调控生物体功能代谢的作用。笔者采用Netphos2.0 Server和NetOGlyc4.0 Server对IL-6蛋白进行预测，预测结果表明其有6个Ser、2个Thr、1个Tyr可能成为蛋白激酶磷酸化位点，其糖基化位点分别为Thr2、Ser3、Ser16、Ser26、Ser29、Thr30、Thr39、Ser41、Thr42、Ser57、Ser64、Thr71。

2.7 IL-6蛋白的二级结构分析 多肽链的主链借助氢键形成有规则卷曲折叠的一维构象称为蛋白质二级结构。本研究采用DNAstar预测IL-6蛋白的二级结构和抗原表位，见图3。综合Gamien-Robson和Chou-Famsman2方法，预测发现IL-6的二级结构主要为螺旋结构(75.9%和51.9%)、折叠(4.72%和1.46%)、转角(5.19%和2.45%)和无规则卷曲(1.42%)。根据Jameson woff预测IL-6氨基酸，抗原指数较高区域主要为29～56、65～86、90～91、94～111、132～141、154～162、165～172、180～181、197～199、202～210区段，其他部位的可能较小或表现为负值。综合分析发现,除第30～56外，其他区域亲水性和氨基酸表面指数偏低，提示该区域可能是优势抗原表位。

图3 IL-6蛋白的二级结构

2.8 IL-6蛋白的保守功能域分析 保守结构域指生物进化或者1个蛋白家族中不变或相同的结构域，具有重要功能。采用Smart(网址为http://smart.embl-heidelberg.de)推测，IL-6蛋白的低复杂度区域(LCR)为11～33氨基酸；第57～210氨基酸为IL-6结构域。

3 讨 论

有学者于1986年首次证实单核细胞可产生1种中性粒细胞趋化因子(即IL)，且可分为多种细胞IL。IL最初指白细胞产生，于白细胞间发挥功能的细胞因子，后发现IL还可由其他细胞分泌，亦可作用其他细胞。其中，IL-6又称前炎性细胞因子[5]，主要被单核-巨噬细胞、成纤维细胞、T淋巴细胞[6]、内皮细胞、肥大细胞产生，可刺激B细胞产生抗体、T细胞增殖、细胞毒性T淋巴细胞(CTL)分化、造血、肝细胞增殖和分化等。作为重要参与物质在某些疾病炎性过程中发生作用(如慢性阻塞性肺疾病)[7]。分析表明，IL-6是1种脂溶性信号肽分泌蛋白，亦为亲水性蛋白，主要由细胞核(占43.5%)、细胞质(占39.1%)发挥生物学作用。预测表明其有6个Ser、2个Thr、1个Tyr可成为蛋白激酶磷酸化位点；主要为螺旋结构；其第30～56可能为优势抗原表位，结构域为第57～210氨基酸。本研究通过生物信息学方法对IL-6蛋白结构和功能进行了生物信息学分析,为研究其参与高血压、肺动脉高压或乳腺癌等疾病炎性损伤的研究结构和功能提供思路[8-10]，并为其参与某些临床疾病炎性反应时的作用提供理论依据。

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Bioinformatics prediction of IL-6 gene structure and function*

YUXin1,YANGZhen2△,CHUYuankui1,ZHANGYiqing1,YUMeiling3

(1.DepartmentofClinicalLaboratory;2.HeartCenter;3.DepartmentofPharmacy,NingxiaMedicalUniversity,Yinchuan,Ningxia750004,China)

Objective To analysis the bioinformatics of IL-6 gene structure and function.Methods By means of bioinformatics software,the structure,physical and chemical properties,signal peptide,transmembranes structure,subcellar localization,secondary structure and advanced structure of the protein were analyzed.Results IL-6 protein was stable hydrophilic transmembrane protein,which were located outside the cells.The secondary structure was primarily composed of α-helix and randmo coil.And it had two serines and two threonines,which might become phosphorylation sites of the proteinkinase.Conclusion Analysis and prediction of IL-6 might be significant in research of clinical diseases such as hypertension,inflammation and so on.

IL-6; bioinformatics; gene structure

宁夏回族自治区自然科学基金资助项目(NZ12175)。

于欣，女，副教授，主要从事心血管疾病临床血液免疫分子生物学实验室方面的研究。

△通讯作者，E-mail:yangzhen080@163.com。

10.3969/j.issn.1673-4130.2016.21.004

A

1673-4130(2016)21-2959-03

2016-02-05

2016-04-25)