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医学信息学解锁24(2021)100623溶葡萄球菌酶产生新菌株的计算机模拟研究抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的酶制剂Seyed Amir Hossein Mohammadzadeh Hosseini Moghri,Saeed Ghanbari Hassan Kiadeh,Somayeh Rahaiee*伊朗阿莫尔特殊现代技术大学生物技术学院微生物生物技术系A R T I C L EI N FO保留字:耐甲氧西林表皮葡萄溶葡萄球菌酶生物信息学工具抗菌剂A B S T R A C T耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)菌株作为威胁健康的病原体引起了广泛关注,并且迫切需要寻找新的药物。在本研究中,利用计算机模拟的方法来研究溶葡萄球菌酶作为一种新的抗MRSA菌株的酶。使用几种标准生物计算工具如CYS_REC、ProtParam、CFSSP、I-TASSER、Algpred、VaxiJen、MEGA-X分析了能够产生溶葡萄球菌酶的七种所选菌株的蛋白质序列。还进行了使用CYS_REC工具。二硫键在蛋白质的热稳定性和靶向相互作用中起着关键作用。结果表明,蛋白质的不稳定指数和脂肪指数分别为23.52-38.30和52.29-90.44,表明其具有热稳定性。 消光系数由36120至97205 M-1 cm-1。所研究的蛋白质的GRAVY指数范围为-0.027至-0.955,表明球状(亲水性)蛋白质的可能性。最后,我们的研究结果表明,APA 99638.1,AYC 37596.1,AZG45378.1,TVY 73715和RYC 72466溶葡萄球菌酶产生菌株的新序列可以用作抗MRSA菌株的新治疗剂1. 介绍金黄色葡萄球菌是一种革兰氏阳性细菌,是一种致病性葡萄球菌属,已被WHO报告为耐药菌株(WHO Mediacentre,(2018))。该菌株产生广泛的疾病,如肺部感染、菌血症、眼部感染、骨髓炎、肺炎、败血症、X性休克综合征、心内膜炎至脓毒性栓塞和各种皮肤感染,包括毛囊炎、脓毒症、溃疡性结肠炎和溃疡性结肠炎。朗克尔斯, 痈, 脓肿 和 乳腺炎 [1耐甲金黄色葡萄球菌(MRSA)是导致对许多抗生素产生抗药性。通常,MRSA有两种主要菌株,包括“医院相关”MRSA(HA-MRSA)和“社区相关“MRSA(CA-MRSA)[ 4 ]。MRSA菌株是治疗困难和昂贵的感染的原因。重要的是,该菌株对许多抗生素具有抗性,这可能导致不可靠的治疗,特别是随着对作为最后手段的抗生素的万古霉素敏感性降低的菌株的出现。因此,迫切需要开发新的抗葡萄球菌药物以消除MRSA菌株。能够破坏肽聚糖的抗菌剂。 酶制剂被认为是预防和治疗葡萄球菌感染的替代治疗策略之一[5]。溶葡萄球菌酶是一种抗菌肽(AMP),近年来被认为是治疗耐药葡萄球菌的最有前途的酶制剂之一。金黄色葡萄球菌菌株,包括万古霉素中间体S.金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和万古霉素耐药链球菌。金黄色葡萄球菌[1,6,7]。这种锌金属内肽酶,作为前酶原,由模拟葡萄球菌生物变种 staphylolyticus,其裂解细胞壁内的五甘氨酸横桥(甘氨酸-甘氨酸键),最终导致渗透保护的丧失和细胞死亡[ 8 ]。此外,无论是活跃生长的还是静止的S。金黄色葡萄球菌细胞对溶葡萄球菌酶高度敏感,因为金黄色葡萄球菌细胞壁的横桥由高比例的五甘氨酸组成。溶葡萄球菌酶还能水解肉葡萄球菌、葡萄球菌、葡萄球菌和葡萄球菌细胞壁上的多聚甘氨酸肽间桥。金黄色葡萄球菌和epidermidis独立于细菌代谢状态。许多动物研究表明溶胰蛋白酶是一种强有力的治疗因子.金黄色葡萄球菌感染,可以有效地杀死MRSA和甲氧西林敏感的S。 金黄色葡萄球菌(MSSA)* 通讯作者。电子邮件地址:s. ausmt.ac.ir,s. gmail.com(S. Rahaiee)。https://doi.org/10.1016/j.imu.2021.100623接收日期:2021年2月22日;接收日期:2021年5月25日;接受日期:2021年5月25日在线预订2021年2352-9148/©2021的 自行发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页:www.elsevier.com/locate/imuS.A. Hossein Mohammadzadeh Hosseini Moghri等人医学信息学解锁24(2021)1006232Fig. 1. 本研究实验工作流程示意图。[1、9、10]。溶葡萄球菌酶产生菌株对抗MRSA菌株。Johnson等人(2018)报告称,局部使用溶葡萄球菌酶可减少沙门氏菌。金黄色葡萄球菌鼻腔携带5天治疗后,没有任何重大副作用和毒性。在白血病、MRSA肺炎、多发性骨髓瘤和蜂窝织炎患者中,有报告称在积极的抗生素治疗失败后使用全身性溶葡萄球菌酶治疗。在兔模型中,溶葡萄球菌酶是治疗MRSA介导的角膜炎和眼内炎的非常有效的药剂。溶葡萄球菌酶作为一种外源性蛋白质,能够诱导机体产生免疫应答,因此可以引起蛋白质免疫原性。关于溶葡萄球菌酶的另一个问题是溶葡萄球菌酶的抗体通过中和其活性而导致细菌裂解的预防[11]。免疫原性在非人灵长类动物模型中表现出显著的毒性,因此这是溶葡萄球菌酶临床转化的重要障碍[2]。在重要基因的预测和分离领域,重要的是利用生物信息学工具开发新的计算机研究。 最近,许多新的生物信息学方法和综合数据库促进了来自不同微生物菌株的新基因的开发和鉴定[12]。例如,Dutta et al.(2018)使用生物信息学工具研究了细菌木聚糖酶,并提出细菌可作为潜在的替代来源木聚糖酶的生产[22]。近年来,寻找新的溶葡萄球菌酶替代来源成为生物医学研究的热点。此外,溶葡萄球菌酶的微生物生产不太面向劳动,并且由于下游过程不复杂,是成本较低的方法。为了解决这些溶葡萄球菌酶问题,生物信息学帮助我们理解蛋白质序列的潜在特征,并且这些工具被应用于研究和鉴定新酶作为导致发现新菌株的替代资源。据我们所知,这是第一个研究报告可能使用生物信息学工具对来自不同菌株的溶葡萄球菌酶进行测序,这些菌株尚未被研究,远了因此,本研究探讨了理化性质的“计算机模拟”分析,和结构特性的溶葡萄球菌酶,这将使研究人员收集有用的信息,了解特别是2. 材料和方法2.1. 溶葡萄球菌酶序列在本研究中,由于二硫键在蛋白质的热稳定性和折叠中的重要作用,我们基于CYS_REC (半胱氨酸识别)在线服务器,从NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/然而,在二硫环中的半胱氨酸残基的更大数目可以改善天然结构的一致性。二硫键对蛋白质三级结构更重要,允许酶与其底物相互作用[23,24]。因此,我们从细菌菌株中选择了六个不同的序列,从真核细胞中选择了一个序列(图1)。 ①的人)。2.2. 溶葡萄球菌酶的计算机分析2.2.1. 理化参数分析采用EXPASy服务器上的ProtParam在线工具分析溶葡萄球菌酶的理化参数,如氨基酸数量和组成、分子量、pI、消光系数、不稳定指数、脂肪族指数和GRAVY(http:web.expasy.org/protparam)[13]。2.2.2. 二级和三级结构分析CFSSP:Chou和Fasman二级结构预测在线工具用于分析7个蛋白质 序 列的 二 级 结 构 (http://www.biogem.org/cgi-bin/cho-fas.pl )[14] 。 序 列 的 三 维 ( 3D ) 结 构 由 迭 代 线 程 ASSEmbly 细 化 ( I-TASSER ) 服 务 器 ( https://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/)生成[15]。然后,通过PyMOL [16]构建PDB格式的3D模型来进行可视化。S.A. Hossein Mohammadzadeh Hosseini Moghri等人医学信息学解锁24(2021)1006233≥- --表1所选序列和蛋白质加入的细节。S.no.蛋白质登录号微生物长度1KKP 77922WS6细菌3952APA 99638系列诺卡氏菌6593TVY 73715尖孢镰刀菌3764AYC 37596灰红链霉菌2595AZG43439Gordoniaa4146AZG45378Gordoniaa4287RYC72466乳酸菌细菌1042a来自戈登氏菌属的两个序列的比对报告显示低同一性(39%)。利用SoftBerry CYS_REC在线服务器预测蛋白质序列中半胱氨酸氨基酸和二 硫键的SS- 键合状 态。此外,MEME(Multiple Em for MotifElicitation)工具用于通过蛋白质BLAST(版本5.1.1)(http://meme-suite.org/tools/meme)指示蛋白质中的保守结构域[17]。2.2.3. 变应原性和抗原性预测使用Algpred服务器通过基于氨基酸组成(阈值0.4)的SVM方法研究样品的过敏性(https:webs.iiitd.edu.in/raghava/algpred/)[18]。此外,使用VaxiJen服务器确定蛋白质序列的抗原性,细菌模型的阈值设定为0.4(http://www.ddg-pharmfac.net/vaxijen/VaxiJen/VaxiJen.html)[19]。2.2.4. 进化树分析用MEGA-X软件对所有溶葡萄球菌酶蛋白序列进行Neighbor-joining系统树分析。使用Bootstrap分析来评估1000个重复中的相邻连接数据的树拓扑。通过计算成对距离方法MEGA-X来执行遗传距离矩阵。还使用MEGA-X软件基于溶葡萄球菌酶蛋白的氨基酸FASTA格式构建系统发育树[20]。3. 结果3.1. 溶葡萄球菌酶基因序列分析总体上,检索到七个溶葡萄球菌酶序列,六个物种具有细菌来源(WS6细菌、Nocardia seriolae、Streptomyces griseorubiginosus、来自戈登氏菌的两个物种和Saccharidatus Saccharomyces bacteria细菌),还有一个序列来自真核生物(尖孢镰刀菌)。3.2. 理化参数这七个序列是根据FASTA格式的总体质量参数选择的。表1描述了菌株和所选序列的细节及其蛋白质登记。这些蛋白质的物理化学参数,如理论pI、不稳定指数、消光系数、脂肪族指数和重力,见表2。pI点是蛋白质溶液的pH值,在该pH值下,净费用为零。pI在5.07-9.96的范围内,显示蛋白质的酸性或碱性。不稳定指数的计算对于鉴定试管中蛋白质的稳定性是重要的。在本研究中,不稳定指数小于40(23.52-38.30),证实所有蛋白质结构都是稳定的。 消光系数-在36120 ~ 97205 M-1 cm-1范围内测得的温度。消光系数为蛋白质配体的定量研究提供了支持和蛋白质之间的相互作用。平均消光系数约为61716。42是指在280 nm波长处可被蛋白质吸收的光量。脂肪族指数 定义为脂肪族侧链占据的蛋白质的相对体积。对蛋白质序列的脂肪族指数的评价表明,该指数范围为52.29至90.44,这表明所有蛋白质在高温下是稳定的3.3. 二级和三级结构分析表3揭示了溶葡萄球菌酶的二级结构,如α-螺旋、β-折叠和转角。在溶葡萄球菌酶的二级结构中,α螺旋是蛋白质中含量最多的结构。此外,蛋白质的三维结构预测的I-TASSER服务器在C-分数,TM-分数和RMSD方面(图2)。C-评分值介于5和2是最佳的,TM评分高于0.5演示了正确的拓扑模型。此外,RMSD值与两个结构中所有残基对的平均距离有关[21]。二硫键在蛋白质的热稳定性中起着关键作用。表4使用CYS_REC工具说明了蛋白质序列中二硫键的存在。此外,MEME套件是一个功能强大的集成工具,适用于蛋白质的基序诱导在7个蛋白质序列中共观察到标记为1、2和3的3个基序图3显示了基序的宽度和共有序列。3.4. 变应原性和抗原性预测结 果 表 明 , 这 些 蛋 白 质 中 的 APA 99638.1 、 AYC 37596.1 、AZG45378.1序列为非过敏原,KKP 77922.1、RYC 72466.1序列具有潜在的过敏原特性,TVY 73715.1和AZG43439.1蛋白为过敏原。VaxiJen评分证明了所研究的蛋白质的抗原性变应原性和抗原性预测见表5。表3使用CFSSP服务器计算的溶葡萄球菌酶蛋白质的二级结构S. 号蛋白质登录号螺旋X(%)板材(%)转弯(%)1KKP7792267.864.614.22APA9963858.131.113.83TVY7371568.433.217.34AYC3759649.434.710.05AZG4343948.628.014.56AZG4537851.258.913.37RYC7246669.149.614.8使用Protparam工具计算的溶葡萄球菌酶序列的物理化学性质。2 APA99638 5.07 70735 32.09 78.56-0.04110.00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000004 AYC37596 6.58 38765 25.40 79.54-0.0345 AZG43439 6.01 97205 23.52 67.68-0.3866 AZG45378 5.09 36120 31.39 90.44-0.02710 RYC72466 1.00 81875 27.61 71.55-0.480表2S. no蛋白质登录号理论pI EX着色系数不稳定指数脂肪族指数肉汁1 KKP77922 8.72 6065538.3070.46-0.588S.A. Hossein Mohammadzadeh Hosseini Moghri等人医学信息学解锁24(2021)1006234图二. 七种溶葡萄球菌酶蛋白的预测3D模型(螺旋、片层和环分别用红色、黄色和绿色表示,并且图号根据表(有关此图例中颜色的解释,请读者参考本文的Web版本S.A. Hossein Mohammadzadeh Hosseini Moghri等人医学信息学解锁24(2021)1006235--表4通过Cys_Rec预测存在二硫键(ss)表5序列的抗原性和变应原性蛋白质登录号半胱氨酸的位置Accession no过敏原性状态VaxiJen评分KKP 77922. 1潜在过敏原0. 5409KKP77922.1 95,109,149,162,306,356 95- 306,109 -356沪ICP备16006668号-1Copyright© 2018- 2019 www.tvy73715.1 All Rights Reserved.粤ICP备15037777号-1粤ICP备16035969号-1AZG43439.1 1 71 196 208 276 297 351 41-71,196-297AZG45378.1 31 40 217218 40可能的抗原APA 99638.1非过敏原0.6098可能的抗原TVY73715.1过敏原0.6173可能的抗原AYC 37596.1非过敏原0.9330粤ICP备16036661号-1粤公网安备44010502000014号AZG43439.1变应原可能的抗原810 839AZG45378.1非过敏原0.5612可能抗原0.6966可能的抗原3.5. 进化树分析图4显示了所研究的不同物种的生殖过程。系统发育树显示两个主要的聚类。聚类(1)包括5 个种APA 99638.1、AYC 37596.1 、AZG43439.1、AZG45378.1、RYC 72466.1和聚类(2)有两个种KKP 77922.1和TVY 73715.1。为了说明物种之间的遗传分化水平,使用成对距离方法计算遗传距离矩阵(表6)。4. 讨论耐甲氧西林表皮葡萄金黄色葡萄球菌(MRSA)导致人类中几种难以治疗的感染。溶葡萄球菌酶作为一种肽聚糖水解酶,被认为是一种新的有前途的替代传统抗生素的目标。金黄色葡萄球菌,包括耐甲氧西林菌株[25]。在这项研究中,所有研究的蛋白质都表现出良好的理化特性。负的GRAVY值(0.027至0.0955)表明蛋白质的亲水性,而蛋白质的低GRAVY指数值此外,不稳定指数小于40,范围为23.52至38.30,这证实所有蛋白质都是稳定的。脂族蛋白质序列的指数(52.29-90.44)表明所有蛋白质在高温下是稳定的。消光系数范围为36120 ~ 97205 M-1 cm-1。 二级和三级结构蛋白质的预测代表了有利的性质。三级结构是一个重要的因素,在酶功能的“锁和钥匙”模型中起着重要作用,另一方面,官能团在酶的特定三维结构中具有重要作用。这些因子可使溶葡聚糖与肽聚糖相互作用[26]。结果表明,所有序列都含有二硫键,并且特定蛋白质组的任何基序的存在都起着标记序列的作用,这可能有助于任何蛋白质的计算机识别序列的保守区被认为是设计聚合酶引物的关键RYC 72466.1潜在过敏原0.6886可能的抗原链反应(PCR)方法。所研究的溶葡萄球菌酶由于其微生物来源和/或作为外源蛋白可能导致免疫应答(抗溶葡萄球菌酶抗体)和过敏原性(超敏反应)。结果表明,这些蛋白质的APA 99638.1、AYC 37596.1、AZG45378.1序列是非变应原的。Fusarium oX ysporum(TVY 73715)由于其真核生物来源而解决了细菌来源的问题。用邻接法构建系统发育树。距离矩阵结果与系统进化树分析结果完全一致,AYC 37596.1与M.APA 99638.1之间的遗传距离最小(0.947),RYC 72466.1与TVY73715.1之间的遗传距离最大(2.325)。本研究的所有上述结果都指出,所有来源的蛋白质都非常稳定。考虑到溶葡萄球菌酶的免疫原性和致敏性,我们的研究结果表明,APA 99638.1,AYC 37596.1,AZG 45378.1的蛋白质是非过敏原。RYC 72466是最静脉注射(IV)基于其pH= 7.00,它是相容的资源,并且它对于IV药物中的身体pH可 能 是 重 要 的 , 遗 传 距 离 矩 阵 分 析 表 明 , AYC 37596.1 和 AYC37596.2之间的遗传距离最小,AYC 37596.1和AYC 37596.2之间的遗传距离最小,AYC 37596.1和AYC 37596.2之间的M. APA 99638.1(0.947)和RYC 72466.1和TVY 73715.1之间的最大距离(2.325)。总之,该计算机模拟研究表明,APA99638.1、AYC 37596.1、AZG45378.1 、 TVY 73715 和 RYC 72466 序 列 与 AYC 37596.1 、AZG45378.1、TVY 73715和RYC 72466序列相似。产生溶葡萄球菌酶的新菌株可以是溶葡萄球菌酶的潜在替代资源以及针对MRSA菌株的治疗剂。然而,为了深入了解这些菌株,需要进行体外这可能是未来的研究课题图3.第三章。不同颜色的框显示MEME基序和蛋白质序列中常见的不同基序。S.A. Hossein Mohammadzadeh Hosseini Moghri等人医学信息学解锁24(2021)1006236图四、 七种 溶葡萄球菌酶蛋白的系统分类。表6采用Poisson模型进行系统发育分析生物体KKP77922.1APA99638.1TVY73715.1AYC37596.1AZG43439.1AZG45378.1粤ICP备16036661号-1KKP77922.1****APA99638.12.093****TVY73715.11.9362.238****AYC37596.12.0750.9472.161 *AZG43439.12.2561.4472.039 1.123 *AZG45378.12.0651.8672.2541.5922.132****RYC72466.11.8842.0552.3251.8412.0432.272 *资金来源这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的竞合利益作者声明,他们没有已知的可能影响本文所报告工作引用[1] DumanZE,Ünlü A,Zakakar MM,Ünal H,Binay B.的产生增强重组模拟葡萄球菌溶葡萄球菌酶。 PrepBiochem Biotechnol 2019;49(5):521-8.[2] Blazanovic K,Zhao H,Choi Y,Li W,Salvat RS等,溶葡萄球菌酶的基于结构的重新设计产生了逃避免疫细胞监视的有效抗葡萄球菌酶。摩尔Ther.方法临床与开发2 0 1 5 ;2:15021.[3] GründlingA,Missiakas DM,Schneewind O. 溶葡萄球菌酶抗性增加的金黄色葡萄球菌突变体。细菌学杂志2006;188(17):6286-97。[4] 作者:Jiang K.耐甲氧西林金黄色葡萄球菌:分子特征,进化和流行病学。 ClinMicrobiol Rev 2018;31(4):.[5] 邹毅,侯春.12中酰胺酶结构域的系统分析金黄色葡萄球菌基因组和44个葡萄球菌噬菌体基因组。计算机生物化学2010;34(4):251-7.[6] Desbois AP,Gemmell CG,Coote PJ.抗微生物肽雷那氨苄与内肽酶溶葡萄球菌酶组合对抗伤口和全身耐甲氧西林金黄 色葡萄球菌(MRSA)感染的体内功效。Int JAntimicrobAgents2010;35(6):559[7] Johnson CT,Wroe JA,Agarwal R,Martin KE,Guldberg RE等,溶葡萄球菌酶的水凝胶递送消除了金黄色葡萄球菌引起的骨科植入物感染并支持骨折愈合。Proc Natl Acad Sci Unit States Am 2018;115(22):E4960-9。[8] GründlingA,Schneewind O.交联肽聚糖介导溶葡萄球菌酶与金黄色葡萄球菌的细胞壁包膜结合。 J Bacteriol 2006;188(7):2463-72.[9] Johnson CT,Sok MCP,Martin KE,Kalelkar PP,Caplin JD,et al. 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