Krooninen sairaus

tiivistelmä

Proteiinikinaasit ovat yleisimpiä proteiinidomeenien osallisina syövän, jossa somaattisesti hankittu mutaatioiden tiedetään toiminnallisesti liittyy erilaisia ​​syöpiä. Uudelleensekvensointipuskurista tutkimukset proteiinikinaasi koodaavat alueet ovat korostaneet sekvenssin ja rakenteen tekijöitä syöpää aiheuttavia kinaasi mutaatioita ymmärrystä mutaation riippuvaisen aktivointiprosessin. Olemme kehittäneet integroitu bioinformatiikka resurssi, joka yhdistelty ja kartoitettu kaikki nykyisin saatavilla olevat tiedot geneettisiä muunnoksia proteiinikinaasi geenien kanssa järjestyksessä, rakenne ja funktionaaliset tiedot. Integrointi monipuolista datatyyppien tarjotaan kätevä puitteet kinome laajuisen tutkimuksen sekvenssi-pohjainen ja rakenne-pohjainen allekirjoitukset syövän mutaatioita. Tietokanta perustuva analyysi on paljastanut ero rikastumista SNP luokkien vaikuttavia alueita kinaasidomeenin, mikä osoittaa, että merkittävä määrä syövän mutaatioita voisi kuulua rakenteellisesti vastaavat asennot (mutaatiostatuksesta kuormittajat) sisällä katalyyttinen ydin. Olemme myös havainneet, että rakenteellisesti säilyneitä mutaatiostatuksesta kuormittajat voidaan jakaa useiden kinaasin geenien ja usein rikastunut syövän kuljettaja mutaatioiden korkea onkogeenistä aktiivisuutta. Rakenteelliset mallintaminen ja energinen analyysi mutaatioprosessiin kuormittajat ovat ehdottaneet yhteinen molekyylitason mekanismi kinaasiaktivaatiota syöpä mutaatioiden, ja ovat sallineet sovittamaan yhteen kokeelliset tiedot. Erään ehdotetun mekanismin, rakenteellinen vaikutus kinaasin mutaatioiden suurella onkogeenisiä voi ilmentyä merkittävä epävakautta autoinhibited kinaasi muoto, joka todennäköisesti ajaa kasvaimien syntyyn jollakin tasolla. Rakenne-pohjainen toiminnallinen huomautusta ja ennustaminen syövän mutaatio vaikutuksia proteiinikinaasien voi helpottaa ymmärtämistä mutaation riippuvaisen aktivaation prosessi ja ilmoitettava kokeellisia tutkimuksia, molekyyli patologian tumorigeneesin.

Citation: Dixit A, Yi L, Gowthaman R, Torkamani A, Schork NJ, Verkhivker GM (2009) Sequence and Structure allekirjoitukset Cancer mutaatio Hotspot proteiinikinaaseissa. PLoS ONE 4 (10): e7485. doi: 10,1371 /journal.pone.0007485

Editor: Kumar Selvarajoo, Keio University, Japani

vastaanotettu: 16 heinäkuu 2009; Hyväksytty: 25 syyskuu 2009; Julkaistu 16. lokakuuta 2009

Copyright: © 2009 Dixit et al. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään.

Rahoitus: Tämä työ tukivat Kansasin yliopistossa käynnistys rahoitusta. Rahoittajat ollut mitään roolia tutkimuksen suunnittelu, tiedonkeruu ja analyysi, päätös julkaista tai valmistamista käsikirjoituksen.

Kilpailevat edut: Kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

keskeinen tavoite syöpätutkimuksen kuuluu löytö ja toiminnallinen luonnehdinta mutatoidun geenien ajaa tumorigeneesin [1]. Human Genome Project on tarjonnut tutkijoille ennennäkemättömän oivalluksia rakenne ja organisaatio geenien. Laajamittainen resequencing ja polymorfismi luonnehdinta tutkimukset ovat sittemmin keskittynyt tunnistamista ja luettelointia luonnollisesti esiintyvä geeni ja sekvenssin vaihtelu [2] – [5]. Cancer Genome Atlas ja siihen liittyvät DNA: n sekvensointi aloitteita ovat erityisesti tutkineet perintötekijöistä syövän [6]. Nämä tutkimukset ovat todenneet, että vain murto-osa geneettisiä muutoksia myötävaikuttaa kasvaimien syntyyn voi olla perinnöllinen, kun taas somaattisesti hankittu mutaatiot voivat vaikuttaa ratkaisevasti etenemisen aikana normaalin solun syöpäsolun. Proteiinikinaaseilla kriittinen rooli solujen signalointi ja ovat nousseet yleisin proteiinidomeeneja jotka ovat osallisina syövässä [7] – [11]. Vaikka kinaasin katalyyttinen domeeni on erittäin konservoitunut, proteiinikinaasi kiderakenteet ovat osoittaneet huomattavia rakenteellisia eroja läheisesti aktiivinen ja erittäin spesifinen aktiivinen muotoja kinaasien [12] – [17]. Evolutionary säilyttäminen ja konformationaalinen plastisuus kinaasin katalyyttisen domeenin mahdollistavat dynaamisen tasapainon aktiivinen ja passiivinen kinaasi muotoja, mikä voi helpottaa sääntelyn katalyyttinen aktiivisuus [15] – [17]. On yli 500 proteiinikinaasien koodattu ihmisen perimän ja monet tämän perheen jäseniä ovat näkyvästi terapeuttisia kohteita tautien torjuntaa poikkeavuuksien aiheuttamia signaalitransduktioreitteihin, erityisesti erilaisten syöpien [18] – [22].

täydellinen sekvensointi ihmisen genomin ja suurikapasiteettisten sukupolven genomista tiedot ovat avanneet mahdollisuuksia systemaattisen lähestymistavan ymmärtämiseksi monimutkainen biologia syövän ja kliinisten kohdentaminen aktivoitua onkogeenien. Laajamittainen kasvain sekvensointi tutkimukset ovat tunnistaneet runsaasti luonnossa esiintyviä mutaatioita proteiinikinaasi geenit monien lisäksi yksinkertaisia ​​yhden emäksen monimuotoisuus (SNP: t) [23] – [32]. Osaa näistä SNP: saattaa esiintyä koodaavien alueiden (cSNPs) ja johtavat samaan polypeptidisekvenssi (synonyymi SNP: t, sSNPs) tai johtaa muutokseen koodattua aminohapposekvenssiä (nonsynonymous koodittavan SNP-kohdan, nsSNPs). Uudelleensekvensointipuskurista tutkimukset kinaasin koodaavat alueet kasvaimissa on luokiteltu kasvaimeen liittyvät somaattiset mutaatiot paljastaa, että vain pieni määrä kinaasin mutaatiot voivat myötävaikuttaa kasvaimen muodostumisen (tunnetaan syövän kuljettajan mutaatiot), kun taas enemmistö voi olla neutraali mutaatiosubstituoimalla sivutuotteita somaattisten solujen replikaation ( tunnettu matkustajan mutaatiot) [23] – [28]. Vaikka proteiini-kinaasien on merkittävä rooli kasvainten synnyssä, yleisesti mutatoitunut proteiini kinaasien syövän näytti olevan poikkeus sääntöön ja useimmat kinaasi kuljettajan mutaatioiden odotetaan jaetaan monilla proteiinikinaasi geeni [27]. Syöpä mutaatiot proteiinikinaaseiksi voisi usein esimerkkinä ilmiö onkogeenin riippuvuus jolloin huolimatta karttuminen lukuisia geneettisiä muutoksia yli kypsymisen kasvain, syöpäsolut voivat jäädä riippuvainen erityisesti kasvaimia synnyttävän reittejä ja voi tulla riippuvaiseksi jatkuvasta aktiivisuutta spesifisten aktivoitua onkogeenien [33], [34]. Hallitseva onkogeenien, jotka antavat onkogeenin riippuvuus vaikutusta, ovat ABL, EGFR, VEGFR, BRAF, FLT3, RET, ja MET kinaasi geenit [34].

Viime löytö keuhkosyöpään mutaatioita EGFR kinaasidomeenissa [35 ] – [37], ja niiden ero herkkyys EGFR-inhibiittoreita ovat ehdottaneet, että geneettiset muutokset voivat liittyä rakenteellisia muutoksia, mikä tekee kasvaimet herkkä selektiivisiä estäjiä. Rakenteelliset määritykset EGFR [38] – [41], ja ABL syövän mutantit [42], [43], ovat ehdottaneet, että molekyylitason mekanismeja kinaasin aktivaation syöpä mutaatioiden ja toiminta allekirjoitusten syöpälääkkeiden voi liittyä dynamiikkaan toiminnallisen siirtymistä aktiivinen ja aktiivinen kinaasi muotoja. Biofysikaalisten mallintaminen proteiinikinaasi rakenne ja dynamiikka on paljastanut tärkeitä mekanistinen piirteet kinaasiaktivaatiota atomi resoluutio. Molekyylidynamiikan (MD) simulaatioita suurten konformationaalisen siirtymät on tehty monia terapeuttisesti tärkeitä proteiinikinaasien, kuten HCK kinaasi [44], adenylaattikinaasi [45], Src [46] – [51], sykliinistä riippuvaisen kinaasin 5 (CDK5) [52], ABL kinaasi [53], KIT kinaasi [54] EGFR, RET ja MET kinaasi verkkotunnuksia [55] – [57]. Nämä tutkimukset ovat osoittaneet, että syöpä mutaatiot voivat olla hienovarainen, mutta syvällisesti merkittäviä toiminnallisia vaikuttavat paitsi paikallista konformaatiomuutoksia at mutaatioprosessiin sivusto, mutta myös allosteric sääntelyä ja osuuskunta vuorovaikutusta signaalinsiirtomekanismeissa verkkoihin [58], [59]. Mukaan ehdotettu mekanismi kinaasiaktivaatiota, rakenteellinen vaikutus syövän mutaatioiden voisi ilmentyä siirtämällä dynaamisessa tasapaino aktiivinen ja aktiivinen kinaasi muotoja kohti konstitutiivisesti aktiivisen kinaasin, mikä aiheuttaa haitallisia seurauksia kinaasia sääntelyä.

Syöpä biologiseen proteiinikinaasi geenejä integroidaan geneettistä, rakenteellisia ja toiminnallisia lähestymistapoja luonnehtia taustalla molekyylitason allekirjoitukset syövän mutaatioita. High-throughput DNA-sekvenssin analysointi ja toiminnallinen arviointi ehdokas syövän mutaatioita tyrosiinikinaasi-geenit on tunnistettu pistemutaatioiden konservoitunut hot spots aktivoinnista silmukka leukemiaan liittyvät tyrosiini- kinaasien [60] – [63]. Korkean suoritustehon alusta on käytetty kuulustella koko FLT3 koodaavan sekvenssin AML potilaiden ja kokeellisesti testata toiminnallinen seuraukset kunkin ehdokkaan kasvaimia aiheuttavasta alleeli [63]. Nämä tutkimukset ovat osoittaneet, että harvinaisia ​​kuljettaja variantteja saattaa usein esiintyvät taajuuksilla erottaa matkustaja mutaatioista. Tämän seurauksena, funktionaalinen analyysi ehdokas mutaatioita tunnistettiin genominlaajuisten näyttöjä voidaan viime kädessä tarvitaan sen määrittämiseksi, mitkä mutaatiot edistävät solun transformaatio. Tietotekniikassa, yhdistettynä rakenteellisiin ja toiminnallisiin tutkimuksiin, ovat myös helpottaneet tunnistaminen ja ennustaminen ehdokas syövän geenien ja yksittäisiä alleeleja myötävaikuttaa kasvaimien syntyyn [64] – [67].

bioinformatiikan työkaluja viime aikoina kehitetty erottamaan kuljettajan ja matkustajan nsSNPs [68], [69]. Vaikka melko voimakas, yleistynyt ennustus menetelmät voivat epäonnistua saavuttaa herkkyys ja spesifisyys saavutettavissa ennustemallit räätälöityä proteiinin perheitä. Olemme kehittäneet kinaasi kohdistettuja koneoppimismalleja joka keskittyi nsSNPs proteiinikinaaseissa hyödyntämällä tunnettu sekvenssi-pohjainen ja rakenne-pohjainen proteiinikinaasi ominaisuuksia tunnistaa malleja jäämiä ja jaksoryhmittymät kätkeminen toiminnallisesti merkitykselliset vaihtelut [70] – [72]. Kehittyneissä tuki-vektori-kone (SVM) menetelmän on osoitettu erottaa sairauteen liittyvän nsSNPs ja neutraalit nsSNPs kanssa -80% tarkkuudella [70]. Nämä havainnot ovat ehdottaneet, että ennusteita koneoppimisen mallien arvioinnissa toiminnallisesti tärkeä mutaatioita voidaan tehostaa merkittävästi valitsemalla informatiivinen ominaisuuksia ominaista tietyn proteiinin perheen. Lisäksi olemme havainneet, että kinaasi alueet kätkeminen useita syövän mutaatioiden useita proteiinikinaaseja voi sisältää suuren osan ennustetun kuljettajan mutaatioita, kun taas kinaasi aliverkkotunnuksiin puuttuu syövän mutaatioiden olivat todennäköisesti sisältää matkustaja-mutaatioita [71], [72 ]. Nämä tulokset viittaavat siihen, että biologiset ominaisuudet ja toiminnalliset seuraukset erottamalla syöpä kuljettajan mutaatioiden henkilöautojen mutaatioista proteiinikinaaseiksi saattavat poiketa erottamalla sairauteen liittyvän neutraalista nsSNPs koko genomin.

kasvava geneettisten, molekyyli- ja funktionaalista tietoa proteiinikinaasien geenejä, yhdistettynä niiden merkittävä rooli terapeuttisina kohteina syövän interventioon ovat tuottaneet ennennäkemättömän räjähdysmäisesti monipuolista tietoa. Suuri määrä tietoa geneettisiä muunnoksia proteiinikinaasi perheiden on kertynyt eri lähteistä, mukaan lukien PupaSNP [73], dbSNP tietokanta [74], Mendelian Inheritance in Man (OMIM) National Center for Biotechnology Information (NCBI) [75 ], [76], KinMutBase [77], [78], BTKbase [79], Human geenimutaatio tietokanta (HGMD) [80], [81], Luettelon Somaattiset mutaatiot Cancer tietokantaan (COSMIC) [82], Protein Kinase Resource (PKR) [83], ja mutaatiot kinaasien Cancer (MoKCa) [84]. Vaikka nykyiset tietokannat ja tietoportaalit on kertynyt suuri määrä tietoa kinaasin SNP, on kasvava tarve integrointi ja kattava kartoitus monipuolista tietoa luokkien proteiinikinaasi geenien keskeinen resurssi.

Tässä työssä esittelemme Composite Kinase Mutation Database (CKMD), yhden arkistoon ja integroitu bioinformatiikka resurssi, joka vahvistetaan ja yksiselitteisesti kartoitettu kaikki nykyisin saatavilla olevat tiedot geneettisestä vaihtelut proteiinikinaasi geenien kanssa järjestyksessä, rakenteelliset ja toiminnalliset tiedot. CKMD ja web-pohjainen vara ovat vapaasti saatavilla https://verklab.bioinformatics.ku.edu/database/. Toimivuus ja ominaisuudet CKMD portaali voi sallia vankka toiminnallinen merkintään proteiinikinaasi geenien ja mahdollistaa kinome laajuinen ennuste ja rakenne-toiminta-analyysi syövän mutaatioita. Tietokanta perustuva analyysi sekvenssin ja rakenteen perustuvaa allekirjoitukset kinaasin SNP on selvittänyt keskeisiä näkökohtia sekvenssin säilyttämisen kuvioita ja rakenteelliset profiilit syöpää aiheuttavia mutaatioita, kuten syntyminen rakenteellisesti konservoituneet kasvaimia aiheuttavasta kuormittajat useiden proteiinikinaasien. Lisäksi rakennemallinnus ja energinen analyysi kinaasi syövän mutaatioita, jotka muodostavat suurimman mutaatiostatuksesta hotspot, on saatu hyödyllistä oivalluksia yhteisen mekanismin kinaasiaktivaatiota.

Tulokset

Sequence-rakenne luokitus ja kartoitus Kinaasikimeerojen SNP

integrointi ja kartoitus monipuolista tietotyyppejä CKMD edellyttäen kätevä puitteet kinome laajuisesti sekvenssitietoanalyysilla-pohjainen ja rakenne-pohjainen allekirjoitukset syövän mutaatioita. Geneettinen vaihtelut proteiinikinaasi geenit ovat laajalti levinnyt ympäri sekä phylogenetic ja rakenteellisia tilaa, ja vain osa kaikista SNP voitaisiin suoraan kartoitettu kinaasin katalyyttiseen domeeniin. Me aloitettiin analysoimalla jakelu eri SNP: luokkiin, jotka voidaan mapataan 12 toiminnallinen aliverkkotunnusten (SDS) kinaasin katalyyttisen ytimen [7] (kuvio 1). Rakenteelliset kartoitus sSNPs johti yhtenäinen kattavuus kinaasin aliverkkotunnuksistasi osoittaa vain heikko suosivan SD II, jolla ei ole selvää toiminnallista roolia kinaasi asetuksessa (kuvio 2A). Sen sijaan, jakelu nsSNPs korostettiin etuoikeutetut painottumista erityisiä toiminnallisia alueita. Todellakin, toiminnallisesti tärkeitä P-silmukka (SD I), sarana-alueesta (SD V), katalyyttinen silmukka (SD VIB), ja erityisesti aktivoinnin silmukka (SD VII) yhdessä loppupään P + 1 silmukka-alue (SD VIII) yleensä tiheään asutuilla (kuvio 2B). P + 1 segmentti yhdistää aliverkkotunnusten C-terminaalinen lohko kanssa ATP: n ja substraatin sitoutumisen alueiden N-terminaalinen lohko. Lisäksi P + 1 silmukka on kytketty suoraan F-kierre, joka toimii keskeisenä telineen kokoonpanoon aktiivisen kinaasin muodossa [85] – [87].

kinaasin katalyyttinen domeeni jaettiin 12 aliverkkotunnukset (SD) käyttäen ABL kinaasi kiderakenne (ATE merkintä 1IEP) ohjearvon määriteltäessä jäännös alueet seuraavasti: SD I: 242-261 (P-silmukka-alue); SD2: 262-278; SD3: 279-291 (aC-helix); SD4: 292-309; SD5: 310-335 (sarana-alue); SD6A: 336-356; SD6B357-374 (katalyyttinen loop); SD7: 375-393 (aktivointi loop); SD8: 394-416 (P + l loop); SD9: 417-438; SD10: 439-461; SD11: 462-480; SD12: 481-498. Kohdistus toiminnallisen aliverkkotunnuksia proteiinikinaasin geenit tehtiin käyttämällä rakenne-tiedon useita sekvenssin rinnastus.

jakauma kinaasin sSNPs on esitetty paneeli (A) ja jakelu sSNPs on esitetty paneelin ( B).

kinaasin katalyyttinen domeeni satamat huomattava määrä nsSNPs kuuluvat kolmeen pääluokkaan: yleinen ja todennäköisesti neutraali nsSNPs, perinnöllinen sairauksia aiheuttavia nsSNPs, ja syöpää aiheuttavia (somaattisten) nsSNPs. Analysoimme evoluution säilyttäminen kaavoja näistä kolmesta eri kinaasin nsSNPs (kuvio 3). Mitta säilyttäminen oli peräisin itseisarvo korvaaminen asema-spesifinen evoluution säilyttäminen pisteet, kutsutaan ”subPSEC”, joka saatiin kohdistamalla tiettyä proteiinia vastaan ​​kirjaston Hidden Markov Models (HMM) edustaa erillistä proteiinia perheiden [88] [89]. Lukemat määriteltiin –