干扰素的系统生物学反应

1. 干扰素的系统生物学反应 09生物技术 葛浦浦 张俊 2011-7-27

2. 摘要： • 干扰素是一种多效的细胞因子家族，在保护宿主生物远离疾病和保持内环境稳定方面行使基本功能，过度或不适当的活动可以引起中毒甚至死亡。因此，宿主生物体产生具体和高度调控的机制，控制时间和组织特异性产生干扰素，途径的选择和基因被激活的效应。现在有许多的微阵列数据集可全面分析参与干扰素反应的基因。本文介绍了INTERFEROME数据库，它吸收了现有的表达谱数据和内容，定义了干扰素基因、发现途径、监管网络和组织特异性的干扰素反应。

3. 介绍： • 在干扰素过去50年的历史中，已经了解了很多个人干扰素调节基因（IRGs）的作用和其编码的蛋白质发挥效应的干扰素活动。例如：2`-5`寡腺苷酸合成酶（2`-5`OAS）、核糖核酸酶（RNase L）、Mx蛋白（一种由Ⅰ型干扰素诱生的流感病毒复制的抑制蛋白）的抗病毒反应。在过去的十年里，基因芯片技术使全面的了解了数百个基因被激活和抑制在用干扰素治疗的细胞中。这些分析从分子水平为我们提供了一个更全面的的理解在干扰素对细胞的作用方面。我们现在可以补充有效的还原方法在一个时间描述一个IRG，以更加综合的观点解释数十个或数百个基因是如何被调控的以及这些基因在功能网络里的相互作用。澄清的性质和时间的信号转导通路的驱动力的基因组有可能提供一个深入了解的分子过程，以不同的生物反应可诱发干扰素。此外，这些途径构成的目标，例如：病毒逃避抗病机制，其他疾病如癌症可能逃避干扰素调节免疫反应，重要的是，新的治疗方法。

4. 该INTERFEROME数据库是一个初步汇编的提供芯片的数据，在不同情况比任何一个单一的数据，为理解干扰素反应提供一个更全面的视野，加上一些分析工具和链接，将有助于分析模式发现和假设产生。它包含了从43个数据集的IRGs，纳入标准的任何实验在干扰素（Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ型）添加到培养的细胞和基本变化（增加或减少）测量芯片。基因的套多达50个可作为一种表意文字小组，确定启动子控制元件、组织表达、染色体定位、蛋白质结构域和其他功能。有有用的链接到其他网站和程序扩展分析的最佳信息，潜在的用途是（1）确定一个基因的研究（2）确定IRGs列表数据，从一个全面的分析基因变化的条件下，一种疾病、临床试验或病人的人口（3）确定调控基因网络或集群（4）最终预测监管信息，组织表达，染色体定位和功能的线索（5）产生假说解释为什么某些基因亚群只在某些情况下被激活以及它们的病理生理的重要性。该INTERFEROME数据库是一个初步汇编的提供芯片的数据，在不同情况比任何一个单一的数据，为理解干扰素反应提供一个更全面的视野，加上一些分析工具和链接，将有助于分析模式发现和假设产生。它包含了从43个数据集的IRGs，纳入标准的任何实验在干扰素（Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ型）添加到培养的细胞和基本变化（增加或减少）测量芯片。基因的套多达50个可作为一种表意文字小组，确定启动子控制元件、组织表达、染色体定位、蛋白质结构域和其他功能。有有用的链接到其他网站和程序扩展分析的最佳信息，潜在的用途是（1）确定一个基因的研究（2）确定IRGs列表数据，从一个全面的分析基因变化的条件下，一种疾病、临床试验或病人的人口（3）确定调控基因网络或集群（4）最终预测监管信息，组织表达，染色体定位和功能的线索（5）产生假说解释为什么某些基因亚群只在某些情况下被激活以及它们的病理生理的重要性。

5. 干扰素的系统生物学反应 诱导基因 干扰素调节基因 Ⅰ型1672 496 Ⅰ型1333 616 723 73 248 41 910 Ⅱ型1044 Ⅲ型114 324 86 Ⅱ型1320 60 Ⅲ型146 Ⅰ型339 抑制基因 120 187 13 76 19 Ⅱ型276 Ⅲ型32

6. 上述趋势指出了总人数的IRGs也都类似，该比例的干扰素刺激基因（ISGs）和抑制基因。因此，37％的Ⅰ型干扰素ISGs是特异通过Ⅰ型诱导而不是Ⅰ型或Ⅱ型。24％γ－干扰素刺激基因是独特的，没有独特的λ－干扰素ISGs，而这些是一个有限的比例（7％）的Ⅰ型干扰素ISG反应。虽然与那些诱导基因相比，抑制基因稍微少些，因为它可能反映了芯片平台在抑制基因表达总量上的技术限制，特别是在低水平表达的基因组成，与IRGs相关的机制和途径很少进行相关的研究。但也有一些具有良好特征的被IFNs活化或一致的产物。上述趋势指出了总人数的IRGs也都类似，该比例的干扰素刺激基因（ISGs）和抑制基因。因此，37％的Ⅰ型干扰素ISGs是特异通过Ⅰ型诱导而不是Ⅰ型或Ⅱ型。24％γ－干扰素刺激基因是独特的，没有独特的λ－干扰素ISGs，而这些是一个有限的比例（7％）的Ⅰ型干扰素ISG反应。虽然与那些诱导基因相比，抑制基因稍微少些，因为它可能反映了芯片平台在抑制基因表达总量上的技术限制，特别是在低水平表达的基因组成，与IRGs相关的机制和途径很少进行相关的研究。但也有一些具有良好特征的被IFNs活化或一致的产物。 • 在全球范围扩大这些趋势应该谨慎，因为我们的结论也有可能是有限的，数据相对缺乏，（特别是γ－干扰素诱导基因）范围有限的细胞组织审查或实验条件如剂量和时间进程。目前，仅有86个基因调节所有3中干扰素，73个诱导基因和13个抑制基因，它们表示非常有限的共同信号通路。

7. 该interferome使“组织”的基因，产生一个“热点地图”，这些数据是由Novartis foundation GNF 部门收集的，其中包含的正常组织表达79人及61个鼠标组织 表达和镇压是指在黑色和白色，分别与强度（白色灰色到黑色）成正比的表达水平。

8. 该INTERFEROME使“组织”的基因，产生一个IRGs通常表达的“热点地图”。这些数据是由NovartisGNF门户网站完成的，其中包含79人以及61个鼠的正常组织表达。当整个INTERFEROME数据绘制出来时，层次聚类能够识别新出现的模式。虽然可能有一些偏见，由于有限频谱的细胞组织研究的INTERFEROME数据，但有一些有趣的模式出现，有许多基因在造血细胞中表达丰富，这也符合干扰素影响造血白细胞的功能并激活的鲜明特点。在大脑中，也有一簇有趣的基础表达基因，这可能是有趣的地图途径激活，是否有功能意义可归因于它们。更有趣的是系统性α－干扰素已激活STAT1和IRGs：ISG15、USP18 和GBP13 特别是在神经元，这可能为神经疾病与干扰素治疗提供一个基础的机制。较大的基因组中确定的INTERFEROME也可能有助于相似或不同的脑疾病。

9. 表意文字代表包含在interferome中的人1996个IRGs的染色体位置。全基因组分析，基因定位的可预测的染色体区域与高和低转录活性响应干扰素治疗。表意文字代表包含在interferome中的人1996个IRGs的染色体位置。全基因组分析，基因定位的可预测的染色体区域与高和低转录活性响应干扰素治疗。

10. 这个INTERFEROME也可能通过产生的输出文件的兼容与在线表意工具提供一个人类或小鼠染色体的基因图集，纵观染色体的IRGs分布表明广泛分布在所有染色体与潜在富集IRGs19和22染色体上以及相对IRGs的13染色体，然而所有IRGs分布格局的染色体位置的解释应根据全面基因表达的所有蛋白质编码基因在染色体上的分布。在这种情况下，所有基因在13号染色体上出现的频率相对交替，因此相对缺乏的IRGs对这个基因家族可能不是特异的，虽然这种类型的分析可能是有用的以确定集群IRGs与遗传联系的特定疾病会染色体异位经常发生在肿瘤细胞中，适当控制全面基因转录应列入分析。在疾病中，与有关的性别偏见可能涉及X、Y染色体上的IRGs。这个INTERFEROME也可能通过产生的输出文件的兼容与在线表意工具提供一个人类或小鼠染色体的基因图集，纵观染色体的IRGs分布表明广泛分布在所有染色体与潜在富集IRGs19和22染色体上以及相对IRGs的13染色体，然而所有IRGs分布格局的染色体位置的解释应根据全面基因表达的所有蛋白质编码基因在染色体上的分布。在这种情况下，所有基因在13号染色体上出现的频率相对交替，因此相对缺乏的IRGs对这个基因家族可能不是特异的，虽然这种类型的分析可能是有用的以确定集群IRGs与遗传联系的特定疾病会染色体异位经常发生在肿瘤细胞中，适当控制全面基因转录应列入分析。在疾病中，与有关的性别偏见可能涉及X、Y染色体上的IRGs。

11. 干扰素的生物学功能 • 抗病毒和肿瘤作用 • 调节细胞增殖、细胞周期、生存、凋亡、细胞分化和迁移 • 调节免疫反应

12. 抗病毒 干扰素发挥作用是要通过细胞受体信号传递、激活细胞另一组基因来实现的，从基因水平了解干扰素抗病毒活性主要涉及下列几种抗病毒蛋白： 1. ISG15是15KDa的干扰素刺激蛋白 ISG15的大量分泌来调节细胞内免疫，ISG15细胞外的功能机制尚不清楚。 2. MX黏蛋白抗性蛋白A MX蛋白具有GTP酶活性，而且这一活性是其抗病毒功能所必需的；MXA可识别病毒得的核壳样结构，并与病毒多聚酶结合，阻断基因转录，是一种有效的抗病毒作用。 3. 2‘-5’ 寡腺甘酸合成酶（OASI）OASI以ATP为底物合成低分子量的2‘-5’ A合成酶，它可使病毒的RNA降解。由于合成的2‘-5’ A 只与RNA的复制复合物结合，从而限制了2‘-5’ A在病毒RNA复制的局部作用，而不对细胞有毒性作用。 4. 蛋白激酶R（PKR） 可使数种与核糖体相连的蛋白质磷酸化，磷酸化后失活，从而使病毒蛋白合成受阻。 5. 磷酸二酯酶 这种酶为外切酶，能水解除去ｔRNA 3‘末端的CCA，从而抑制病毒肽链的延长和蛋白质的翻译。

13. 调节作用 一个广泛的观点，在INTERFEROME中“生物分类”的所有IRGs可以分析基因本体论（GO）解释，有79个基因表明细胞周期调控有关和81个细胞增殖有关，这些包括白细胞介素（IL）15受体和表皮生长因子受体（EGFR）、生长因子、胰岛素生长因子（IGF）和激落刺激因子1（CSF1）和激酶、整合素连接激酶（ILK）和丝裂原活化蛋白激酶2（MAP2K），这些IRGs是干扰素影响细胞增殖调节作用的调解者。干扰素刺激亲或抗凋亡反应取决于细胞类型和情况；相应地以GO，有77个IRGs注明作为凋亡基因和61个IRGs注明为抗凋亡基因。这些细胞凋亡的IRGs包括具有鲜明特点的亲或抗调亡基因。如：FAS、IL-1A、HDAC1、IFI16、BCL2和ATF5。

14. 调节作用 对有机体的生存来说，干扰素反应至关重要的作用是其进化保护组成部分，整个干扰素系统组件，包括配体、细胞表面受体、信号分子，IRGs是所有脊椎动物物种中共有的，似乎只有细胞内的组成部分是无脊椎动物特有的。转录蛋白质自己的IRGs已确定存在于无脊椎动物体内包括酵母。IRGs所编码的蛋白质参与基本的细胞功能，如细胞周期、增殖和运动而且高度保守。

15. 调节免疫 上面提到的许多IRGs与细胞的基本生物学参数有关（细胞增殖、亲或抗凋亡和趋化）并且负责调节免疫反应（如膨胀、迁移、存活、激活和死亡） 在诱导免疫效应细胞中，有的IRGs有调节非常具体的免疫作用，如蛋白质参与抗原处理和主要组织相容性复合物（MHC）的提呈及细胞毒性（例如：颗粒酶和穿孔素－1）,然而不当或过渡激活IRGs，以引发免疫性疾病，如系统性红斑狼疮、败血症（产生炎症细胞因子的“风暴”）。

16. IRGs的细胞生物学和生物学作用 根据亚细胞定位及其编码蛋白在INTERFEROME中的IRGs全面的GO分析表明；干扰素诱导的细胞反应与反应能力的各种刺激压力或危险信号，影响不同的亚细胞器。预测编码蛋白基因的有676个位于核质、626个在细胞质、379个在膜结合处、151个在线粒体、64个在高尔基体、34个在核糖体、35个在溶酶体，因此干扰素反应可以定位从而防止应力，如病毒感染 其中复制的病毒可以在细胞内不同地点，如当复制的位点在线粒体，位于此的干扰素刺激蛋白就会起防御作用。此外IRGs编码的抗病毒蛋白抑制许多不同阶段的病毒复制的生命周期包括病毒进入细胞、脱壳、转录、翻译、装配和出芽过程，显然发生在感染细胞的不同位置。 从分子水平，IRGs编码的干扰素反应蛋白包括大多数种类的细胞蛋白，除反应引发类包括结构蛋白、信号转导适配器、酶（包括蛋白激酶和磷酸酶）、代谢因素与细胞膜和分泌的蛋白质。

17. IRGs的细胞生物学和生物学作用 除了这些因素，通过调节转录因子的表达，干扰素调节的生物反应被放大和扩展，从而反过来调解二次靶基因。根据GO的诠释，有155个IRGs编码的转录因子作用在不同的生理和病理过程，包括ATF、STAT、IRFSMAD、KLF、HDAC和转录监管家族，也有IRGs编码转录因子抑制靶基因的转录，IRF2和IRF4基因表达的负调控是一个明显的组成部分。因为有415个干扰素反应抑制基因，这些抑制途径及其调控的IRGs可能介导干扰素的抑制作用。如细胞周期通过IRGs、生长因子受体和原癌基因c－myc等干扰素激活负调控是干扰素反应本身特点，这是典型的细胞因子信号抑制（SOCS）蛋白质。这些目标蛋白通常降解信号转导的蛋白质，从而提供了一种终止反应机制。诱导自身的干扰素反应具有自限性，这是一个重要的功能，因为过渡的细胞信号因子可能是有毒的，已被表型为SOSC1缺陷的新生儿小鼠证明。

18. IRGs的细胞生物学和生物学作用 因为过渡的干扰素信号，编码蛋白的负调控IRGs 如抑制蛋白磷酸酶 还可以通过其他细胞因子和生长因子阻止信号。利用JAK/STAT信号通路，如IL-6和NOTCH，此属性延伸的干扰素调节网络的影响超出本身，从而最大限度地拓宽免疫反应。例如：最常见的干扰素刺激基因激活比例最高的是ISG15数据集，这是一个泛素样蛋白，以类似地方式与目标蛋白结合，一个特定的酶和泛素－蛋白酶ISG15被描述。

19. IFN临床应用 该INTERFEROME在临床研究中诊断疾病病因和发病机制及鉴别诊断“基因标记”类似于常用的或公认的癌症管理中有许多潜在的应用。例如许多IRGs已确定将升高系统性红斑狼疮患者的外周血细胞，最近的研究已开发出一批为“诊断”的基因标记，可以用来在系统性红斑狼疮的分类和确定的反应，包括使用抗体型干扰素或同源的信号转导受体IFNAR1、阻断干扰素信号，而确定的系统性红斑狼疮“干扰素标记”先于我们建立的INTERFEROME，这个数据库和相关工具的存在将极大地促进未来相关疾病和反应的解释，这是因为干扰素信号通路更好的说明。在INTERFEROME的许多治疗增加了统计“ 权力”的个人研究，INTERFEROME数据来自许多实验室，细胞和干扰素增加数据分析的深度，另一个INTERFEROME应用用的例子是最近确定的Ⅲ型IFN－λ3,突变与持续的病毒学应答都自发响应干扰素治疗。IL-28是通过使用INTERFEROME和一个表意小组机制被确定为IFN。在INTERFEROME数据库和相关的程序是如何被用来发现临床上有用的信息并产生假说的分子机制。可能依据疾病的病因以及发现生物标志物的疾病的发病机理和治疗的反应。

20. 请大家多多批评指正谢谢！