TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15<br />
<br />
Comment [ĐhCn1]:<br />
<br />
NGHIªN CỨU MỘT SỐ ĐỘT BIẾN THAY THẾ AMINO AXÍT<br />
(MISSENSE MUTATION) TRÊN GEN CXCL1 Ở NGƢỜI BỊ<br />
PHƠI NHIỄM ASEN<br />
Lê Bắc Việt1*; Trần Phương Thảo*; Tạ Thị Bình**<br />
Nguyễn Khắc Hải**; Nguyễn Huy Hoàng*<br />
TÓM TẮTT<br />
Ngày nay, những bệnh di truyền gây ra bởi các đột biến gen ngày càng trở nên phổ biến. Trong<br />
đó, những biến thể di truyền gây ra thay đổi một nuclotid trong trình tự gen dẫn đến thay thế một<br />
amino axít trong trình tự protein được gọi là đột biến thay thế amino axÝt (missense mutation). Loại<br />
đột biến này có khả năng gây tác động mạnh đến tính ổn định của mạng lưới liên kết hydro, liên kết<br />
ái lực... của cấu trúc, hoạt tính và một số đặc tính quan trọng khác của protein. Ngoài ra, chúng còn<br />
liên quan đến các điều kiện về bệnh lý và tính nhạy cảm đối với bệnh cũng như quá trình điều trị<br />
bằng thuốc. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các phần mềm tin sinh học để mô hình hóa<br />
cấu trúc không gian 3D protein, từ đó đưa ra một số dự đoán về ảnh hưởng và tác động của các đột<br />
biến đã được phát hiện trên gen CXCL1, trong đó có hai đột biến liên quan đến hiện tượng phơi<br />
nhiễm asen là P67T và A76T. Qua đó có thể hiểu thêm về mối tương quan giữa cấu trúc và chức<br />
năng của protein được mã hóa bởi gen CXCL1.<br />
* Từ khóa: Bệnh di truyền; Cấu trúc không gian 3D protein; Đột biến điểm; Gen CXCL1; Phơi<br />
nhiễm asen.<br />
<br />
INVESTIGATION OF SOME MISSENSE MUTATIONS OF THE<br />
CXCL1 GENE IN ARSENIC EXPOSURE INDIVIDUALS<br />
SUMMARY<br />
Nowadays, genetic diseases caused by mutagenesis become more and more abundant. Of which,<br />
genetic variants that lead to change of only one nucleotide in a gene sequence resulting in substitutions of<br />
one amino acid in a protein sequence, called by missense mutations.That kind of mutation can have a<br />
dramatic effect on stability, hydrogen bond network, structure, activity and some other characteristics of<br />
protein. Moreover, they are involved in many pathological conditions, disease susceptibility and drug<br />
treatment. In this study, based on some bioinformatics softwares about protein three-dimesion (3D) crystal<br />
modelling, we brought out predictions about effects and influences of all seven missense mutations of the<br />
CXCL1 gene, of which two mutations (P67T and A76T) that relate to arsenic exposure were recently<br />
detected. As the result, it is possible to understand much more about the relationships between genotype<br />
and phenotype of protein encoding by the CXCL1 gene.<br />
* Key words: Genetic diseases; Protein 3D structure modelling; Missense mutations; The CXCL1 gene;<br />
Arsenic exposure.<br />
* Viện Nghiên cứu Hệ Gen, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br />
** Viện Y học Lao động và Vệ sinh Môi trường<br />
Người phản hồi (Corresponding): Nguyễn Huy Hoàng (nhhoang@igr.ac.vn)<br />
Ngày nhận bài: 25/12/2013; Ngày phản biện đánh giá bài báo: 20/1/2014<br />
Ngày bài báo được đăng: 21/1/2014<br />
<br />
56<br />
<br />
TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15<br />
<br />
ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Những sai khác trong trình tự ADN ở<br />
người gây ra biến thể biểu hiện ra ngoài<br />
kiểu hình và tác dụng đến nhạy cảm đối với<br />
bệnh tật, phản ứng với sự thay đổi môi<br />
trường và quá trình điều trị bằng thuốc [2].<br />
Những biến thể di truyền có thể bao gồm<br />
thay đổi một vài hoặc chỉ một nucleotid,<br />
trường hợp thứ hai được gọi là “đa hình đơn<br />
nu” hay SNP (single nucleotide polymorphism).<br />
Về mặt kỹ thuật, một đa hình thể hiện một<br />
biến thể ADN được tìm thấy ở > 1% cộng<br />
đồng dân cư sống trong cùng một vùng [2].<br />
SNP là dạng biến thể di truyền phổ biến<br />
nhất ở người [3] và xảy ra thường xuyên<br />
với tần xuất 1/1.200 base trên một cộng<br />
đồng người [5]. Trong đó, SNP thường xảy<br />
ra trên vùng không mã hóa trên ADN genome<br />
[2], ngược lại, SNP xảy ra trên vùng mã hóa<br />
gây ra thay đổi trên trình tự amino axít của<br />
protein, hay còn gọi là sự thay thế amino<br />
axít hoặc còn có thể gây ra những đột biến<br />
dừng dịch mã (nonsense mutation)/cắt cụt<br />
protein (truncation mutation) [4].<br />
Những biến thể di truyền xảy ra trên các<br />
allen phụ và có tần suất < 0,5 - 1% cộng<br />
đồng dân cư là những đột biến hiếm gặp<br />
[6]. Ảnh hưởng về mặt chức năng protein<br />
của các đột biến hiếm gặp đang là chủ đềể<br />
của nhiều công trình nghiên cứu gần đây<br />
với mục tiêu hiểu rõ hơn về vai trò của đột<br />
biến hiếm gặp trên nhiều loại tính trạng với<br />
nhau [7]. Sự cần thiết phải tìm hiểu về tác<br />
động của đột biến thay thế amino axít trở<br />
nên rất rõ ràng khi chúng ta xem xét đến<br />
những bệnh di truyền. Chỉ cần thay đổi một<br />
amino axít trong trình tự có thể dẫn đến một<br />
loạt những sai khác trong quá trình chuyển<br />
hóa trong cơ thể và gây bệnh. Chúng ảnh<br />
hưởng trực tiếp lên cấu trúc đại phân tử<br />
protein, cấu trúc bậc 2, mạng lưới liên kết<br />
<br />
hydro, làm giảm tính mất ổn định và hoạt<br />
tính của protein [9]. Từ đó, những phương<br />
pháp tin sinh học nhằm phân tích ảnh<br />
hưởng của đột biến thay thế amino axÝt lên<br />
hoạt tính protein được phát triển dựa vào<br />
mô hình cấu trúc không gian 3D protein với<br />
mục tiêu đưa ra một mối liên quan giữa đột<br />
biến và nhạy cảm đối với bệnh.<br />
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến<br />
hành phân tích 7 đột biến thay thế amino<br />
axít được tìm thấy trên gen CXCL1. Trong<br />
đó, 5 đột biến điểm được phát hiện [8] và 2<br />
đột biến mới vừa công bố gần đây liên quan<br />
đến hiện tượng phơi nhiễm asen của nhóm<br />
nghiên cứu [9]. Bên cạnh liên quan đến hiện<br />
tượng phơi nhiễm asen, các đột biến trên<br />
gen CXCL1 còn có khả năng gây ung thư<br />
cao thông qua việc tạo ra khối u ác tính như<br />
ung thư phổi, ung thư vú, ung thu buồng<br />
trứng, ung thư tuyến tiền liệt, ung thư bàng<br />
quang… [10]. Do dó, các kết quả phân tích<br />
rất có ý nghĩa dự đoán ảnh hưởng của 7<br />
đột biến này lên cấu trúc protein và mức độ<br />
nhạy cảm đối với các bệnh di truyền hay<br />
ung thư khác nhau.<br />
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP<br />
NGHIÊN CỨU<br />
1. Nguyên liệu nghiên cứu.<br />
Những mẫu bệnh nhân được chẩn đoán<br />
phơi nhiễm asen trước sinh và phương<br />
pháp xét nghiệm lấy dựa theo nghiên cứu<br />
trước đó về gen CXCL1 của Trần Phương<br />
Thảo và CS [9]. Sử dụng<br />
trình tự amino axít của protein CXCL1,<br />
CXCL2, CXCL3 ở người từ website<br />
http://www.ensembl.org. Ngoài ra, trình tự<br />
amino axít CXCL1, CXCL2, CXCL3 ở một<br />
số loài khác như chuột, khỉ, lợn cũng được<br />
thu thập để so sánh trình tự với mục đích<br />
tìm ra những amino axst có độ tương đồng<br />
cao giữa các loài với nhau cũng như amino<br />
axít có tính bảo thủ trong protein CXCL.<br />
Bảng 1: Đột biến thay thế amino axít được<br />
phát hiện trên gen CXCL1.<br />
<br />
58<br />
<br />
Formatted: Indent: First line: 0.5 cm,<br />
Space Before: 3 pt, Line spacing:<br />
Multiple 1.15 li<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold, Expanded by 0.2 pt<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold, Expanded by 0.2 pt<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold, Italic<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 10.5<br />
pt, Not Bold<br />
<br />
TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15<br />
<br />
MMDB thuộc website NCBI mã số “1MSG”<br />
[11].<br />
1<br />
<br />
c.115A > G<br />
<br />
2<br />
<br />
p.T39A<br />
<br />
2<br />
<br />
c.152G > A<br />
<br />
2<br />
<br />
p.G51E<br />
<br />
3<br />
<br />
c.190T > C<br />
<br />
2<br />
<br />
p.S64P<br />
<br />
4<br />
<br />
c.217G > A<br />
<br />
2<br />
<br />
p.E73K<br />
<br />
5<br />
<br />
c.237G > T<br />
<br />
3<br />
<br />
p.K79N<br />
<br />
6<br />
<br />
g.1124G > A<br />
<br />
3<br />
<br />
p.A76T<br />
<br />
7<br />
<br />
g.984C > A<br />
<br />
2<br />
<br />
p.P67T<br />
<br />
Mô hình cấu trúc protein CXCL1 được<br />
sử dụng từ dữ liệu Structure Summary<br />
<br />
Formatted: Indent: First line: 0.5 cm,<br />
Line spacing: Multiple 1.19 li<br />
Formatted: Indent: First line: 0.5 cm,<br />
Space Before: 4 pt<br />
<br />
2. Phƣơng pháp nghiên cứu.<br />
Sử dụng phần m ềm ClustalW 2<br />
(http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/)<br />
để so sánh các trình tự amino axít. Phần<br />
mềm tin sinh học spdbv 4.10 và ViewerLite<br />
4.2 được sử dụng để mô phỏng cấu trúc và<br />
phân tích ảnh hưởng của những đột biến<br />
thay thế amino axít trên gen CXCL1.<br />
<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Expanded by 0.1 pt, Highlight<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
<br />
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN<br />
1. So sánh trình tự amino axít.<br />
<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
<br />
β1<br />
monCXCL1<br />
<br />
MARAALSAAPSNPRFLQVALLLLLLVATSRRAAGASVVTELRCQCLQTLQGIHPKNIQSV 60<br />
<br />
monCXCL3<br />
<br />
MARAALSAAPSNPRLLRVALLLLLLVASGQRAAGAPVATELRCQCLQTLQGIHPKNIQSV 60<br />
<br />
hCXCL3<br />
<br />
MAHATLSAAPSNPRLLRVALLLLLLVAASRRAAGASVVTELRCQCLQTLQGIHLKNIQSV 60<br />
<br />
hCXCL1<br />
<br />
MARAALSAAPSNPRLLRVALLLLLLVAAGRRAAGASVATELRCQCLQTLQGIHPKNIQSV 60<br />
<br />
hCXCL2<br />
<br />
Formatted: Font: (Default) Arial, 9 pt,<br />
Highlight<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
MARATLSAAPSNPRLLRVALLLLLLVAASRRAAGAPLATELRCQCLQTLQGIHLKNIQSV 60<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
pCXCL2<br />
<br />
MASAAIAASPCAPRFLRAALLLLLLVAAGRRTAGAPVGGELRCQCLQTVQGIHLKNIQDL 60<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
mouCXCL1<br />
<br />
------- MIPATRS L L C A A L L LL ---AT SRL ATG A P I A N ELRCQCLQTMAGIHLKNIQSL 50<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
*.<br />
<br />
:* .*****<br />
<br />
*:.: ::**.:<br />
<br />
β2<br />
<br />
*********:<br />
<br />
*** ****.:<br />
<br />
α-helix<br />
<br />
monCXCL1<br />
<br />
NVKAPGPHCADTEVIATLKNGQKACLNPASPMVQKIIKKMLN----- 102<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
monCXCL3<br />
<br />
IVKAPGPHCAETEVIATLKNGQKACLNPASPMVQKIIEKILNKGSTG 107<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
hCXCL3<br />
<br />
NVRSPGPHCAQTEVIATLKNGKKACLNPASPMVQKIIEKILNKGSTN 107<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
hCXCL1<br />
<br />
NVKSPGPHCAQTEVIATLKNGRKACLNPASPIVKKIIEKMLNSDKSN 107<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
KVKSPGPHCAQTEVIATLKNGQKACLNPASPMVKKIIEKMLKNGKSN 107<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
Formatted<br />
<br />
...<br />
<br />
hCXCL2<br />
pCXCL2<br />
mouCXCL1<br />
<br />
KVTSPGPHCDQTEVIATLKNGQEVCLNPSAPMVKKIIEKMLNKSSAN 107<br />
KVLPSGPHCTQTEVIATLKNGREACLDPEAPLVQKIVQKMLKGVPK- 96<br />
<br />
* ..**** :**********::.**:* :*:*:**::*:*:<br />
Hình 1: So sánh trình tự amino axít CXCL1, CXCL2 và CXCL3 của một số loài động vật.<br />
h: người (human); mon: khỉ (monkey); mou: chuột (mouse); p: lợn (pig). (Những vị trí xảy ra<br />
đột biến được inm đậm, những amino axít có độ tương đồng cao được bôi đen. Bôi đỏIn<br />
nghiêng là xoắn α-helix. Gạch chân là gấp nếp β).<br />
<br />
59<br />
<br />
TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15<br />
<br />
3 vùng có trình tự amino axít tương<br />
đồng cao chứa cấu trúc gấp nếp β1 và β2,<br />
trong đó, một vùng khá lớn lên đến 24<br />
amino axít có thể được coi là một vùng bảo<br />
thủ trên họ protein CXCL (hình 1). Do vậy,<br />
những đột biến nằm trong vùng bảo thủ này<br />
sẽ ảnh hưởng nhất định lên cấu trúc cũng<br />
như chức năng của protein CXCL1.<br />
Kết quả so sánh trình tự amino axit<br />
CXCL1, CXCL2 và CXCL3 giữa các loài với<br />
nhau chỉ ra 3 vùng có trình tự amino axit<br />
tương đồng cao chứa các cấu trúc gấp nếp<br />
β1 và β2, trong đó có một vùng khá lớn lên<br />
đến 24 amino axit có thể được coi là một<br />
vùng bảo thủ trên họ protein CXCL (hình 1).<br />
Do vậy, những đột biến nằm trong vùng bảo<br />
thủ này sẽ có những ảnh hưởng nhất định<br />
lên cấu trúc cũng như chức năng của<br />
protein CXCL1.<br />
2. Mô hình cấu trúc protein CXCL1.<br />
Sau khi so sánh trình tự trình tự amino<br />
axít của protein CXCL1, chúng tôi tiến hành<br />
phân tích mô hình không gian 3D protein<br />
với khuôn mẫu là mô hình CXCL1 ở người<br />
được Kim và CS xây dựng thành công. Mô<br />
hình cấu trúc cơ bản bậc 2 của protein này<br />
cùng với các vị trí amino axit đột biến thể<br />
hiện ở hình 2. Gen CXCL1 ở người có kích<br />
thước khoảng 1.6 kb mã hóa cho 107 amino<br />
axít. Trong nghiên cứu xây dựng khuôn<br />
mẫu protein CXCL1, nhóm tác giả đã cắt bỏ<br />
34 amino axít ở exon 1 mà không làm ảnh<br />
hưởng đến hoạt tính protein, đây cũng là một<br />
quá trình bình thường trong nghiên cứu xây<br />
dựng hình mẫu không gian 3D protein. Trong<br />
7 đột biến thay thế (T39A, G51E, S64P, E73K,<br />
K79N, A76T, P67T)) đã tìm thấy, không có<br />
đột biến nào nằm ở exon 1, có thể biểu diễn<br />
được trên mô hình cấu trúc không gian 3D.<br />
<br />
Hình 2: Mô hình cấu trúc 3D protein CXCL1.<br />
Mô hình không gian 3D bậc 2 cho thấy<br />
protein CXCL1 bao gồm 1 cấu trúc xoắn<br />
α-helix và 2 cấu trúc gấp nếp β. Trong 7 đột<br />
biến, 4 vị trí amino nằm trên gấp nếp β2:<br />
S64, E73, A76 và K79 và 4 vị trí codon này<br />
đều nằm trên vùng được cho là bảo thủ của<br />
họ protein CXCL (hình 1). Do đó, có thể dự<br />
đoán được 4 đột biến tại những vị trí này sẽ<br />
có ảnh hưởng đáng kể lên cấu trúc protein<br />
CXCL1. Gen CXCL1 là một trong những<br />
gen bị ảnh hưởng bởi hiện tượng phơi<br />
nhiễm asen ở người bệnh, bên cạnh các<br />
gen khác đã được nghiên cứu như AS3MT<br />
và GST01... Tuy nhiên, gen mã hóa protein<br />
CXCL1 trên bệnh nhân phơi nhiễm asen còn<br />
hạn chế, phần lớn tập trung vào phương pháp<br />
biểu hiện protein, nghiên cứu tương tác giữa<br />
protein/receptor gây ung thư [10]. Cho đến<br />
nay, đã phát hiện được 7 đột biến trên gen<br />
CXCL1, các đột biến này phù hợp với nghiên<br />
cứu của chúng tôi.<br />
3. So sánh, dự đoán ảnh hƣởng của<br />
đột biến.<br />
* Đột biến P67T và A76T:<br />
Đột biến P67T, do vị trí P67 không tạo<br />
liên kết hydro với các amino axít xung<br />
quanh, nên đột biến không làm thay đổi hệ<br />
thống liên kết hydro trong cấu trúc protein<br />
(hình 3A). Bên cạnh đó, tính axít và bazơ<br />
<br />
59<br />
<br />
TẠP CHÍ Y DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 2-2014 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TRÌNH KHCN KC.10/11-15<br />
<br />
cũng thay đổi khi chuyển từ proline thành<br />
threonine, gốc -OH đã tăng từ 6 lên 7 khiến<br />
pH giảm. Về phần đột biến A76T, đột biến<br />
này đã tạo ra sự thay đổi liên kết hydro. Cụ<br />
thể, tại vị trí T76 đã thêm một liên kết hydro<br />
nữa so với A76 (hình 3B). Một điểm đáng<br />
chú ý là ở vị trí codon này, A76 là một<br />
amino axít không ưa nước, nhưng khi bị<br />
thay thế bằng T76 thì không còn đặc tính<br />
không ưa nước nữa. Bên cạnh đó, khi xét<br />
về độ axÝt và bazơ, gốc -OH tăng từ 5 lên 6<br />
khiến pH tăng nhẹ.<br />
<br />
amino axít có trên cả 3 loại CXCL ở người,<br />
do đó, đột biến này có thể sẽ có ảnh hưởng<br />
nhất định lên cấu trúc, chức năng protein<br />
CXCL1. Ngược lại, đối với đột biến A76T,<br />
với những thay đổi rất đáng kể ở trên, có<br />
thể dự đoán đột biến này sẽ ảnh hưởng<br />
đáng kể lên cấu trúc và chức năng của<br />
protein CXCL1. Nếu tần suất xuất hiện đột<br />
biến này trên người bị phơi nhiễm asen > 1,<br />
có thể kết luận đột biến này là chỉ thị sinh<br />
học (biomarker) trong phát hiện phơi nhiễm<br />
asen trước sinh.<br />
* Đột biến G51E, E73K và K79N:<br />
Tương tự như 2 đột biến trên, chúng tôi<br />
so sánh cấu trúc của 3 đột biến này trên<br />
ViewerLite 4.2. Sở dĩ đặt 3 đột biến này vào<br />
cùng một nhóm, do cả 3 đột biến này đều<br />
phát hiện được trên bệnh nhân mắc ung<br />
thư màng trong dạ con [8].<br />
<br />
A<br />
I<br />
<br />
II<br />
<br />
A<br />
I<br />
<br />
II<br />
<br />
B<br />
I<br />
<br />
II<br />
<br />
Hình 3: So sánh cấu trúc 3D protein. A:<br />
Đột biến P67T; B: Đột biến A76T. IA, IB: Mô<br />
hình bình thường. IIA, IIB: Mô hình đột biến.<br />
Từ kết quả trên cho thấy, đột biến P67T<br />
không làm thay đổi quá nhiều cấu trúc<br />
protein, lại không nằm trên cấu trúc xoắn α<br />
hay gấp nếp β nào. Tuy nhiên, T67 lại là<br />
<br />
I<br />
<br />
B<br />
<br />
II<br />
<br />
60<br />
<br />