QIAGEN Ingenuity Pathway Analysis (IPA) 是生命科學研究領域領先的路徑分析軟體其提供了建立和分析交互作用網路和路徑的功能，從而有助於更深入地理解分子之間的作用和調節機制 。在分析過程中，透過基因和交互作用網路的探索 IPA 能夠預測可能涉及的疾病和功能，為進一步的研究提供指引。此外 IPA 還通過視覺化的方式展示分析結果，有助於更清晰地解釋複雜的研究成果。總體而言 IPA 的系統性資料分析功能有助於深化對特定分子間交互作用及其在病理過程中的潛在作用的理解，為研究提供了新的方向。

 

研究簡介

TSPO 是一種跨膜蛋白，由 169 個胺基酸組成 (圖其主要存在於粒線體外膜上尤其在合成類固醇的組織中高度表達，例如：神經膠細胞、腎上腺、睾丸和卵巢。TSPO 的主要功能是將膽固醇從粒線體外膜運輸到內膜此外亦會與粒線體外膜中的電壓依賴性陰離子選擇性通道（VDAC）、粒線體內膜中的腺嘌呤核苷酸轉運蛋白（ANT）以及與親環蛋白 D（cyclophilin D）協同形成粒線體通透性轉換孔（mPTP）(圖 1)。 在活化狀態下，TSPO產生活性氧進而開啟粒線體通透性轉換孔 (mPTP) 使細胞色素 C 釋放到細胞質中，促使細胞凋亡。研究中觀察到，在神經退化性疾病、腦部損傷和癌症等情況下，TSPO 的表達量增加，而在肥胖和糖尿病等情況下，TSPO的調節可能會出現異常。

 

▲圖 1、 TSPO 的主要功能 : 啟動程序性細胞死亡，包括細胞凋亡，以及調節細胞核基因表達。
圖片來源 : https://www.mdpi.com/2073-4409/9/4/870

 

▲圖 2、 TSPO和 TSPOAP1的三維晶體結構。
螺旋區域以紅色表示，β折疊區域以黃色表示，迴圈區域以綠色表示。

 

TSPOAP1 又稱為 PBR 關聯蛋白 1 (PRAX1），是由 1857 個胺基酸構成的細胞質蛋白（圖 2B）。從其名稱即可得知 TSPOAP1 會與 TSPO 交互作用，它們的功能和臨床應用有所交集。TSPOAP1 活性的調控和神經退化性疾病、癌症以及肥胖相關。TSPOAP1 的生物學功能被認為與其對應的 TSPO 類似。儘管 TSPOAP1 自其被發現以來已經有二十年的時間，但人們對於 TSPOAP1 的功能和相互作用分子的了解仍然有限。由於對於 TSPOAP1 經典信號傳遞路徑訊息的不足，侷限了對其進行生物學研究以及發展相關治療方法。因此，本研究旨在透過 IPA 來探討以下問題 :
1. TSPOAP1 的經典訊號通路有哪些 ?
2. TSPOAP1 的 蛋白交互作用夥伴有哪些 ?
3. TSPOAP1 在人類疾病中的作用為何 ?
4. TSPOAP1 與 TSPO 之間是否有獨特的交互作用蛋白或基因 ?

 

作者以關鍵字 「TSPO associated protein one」 和「TSPO」 在 NCBI 資料庫中搜尋 TSPOAP1 和 TSPO 基因，並僅限於人類基因相關研究。截至 2020 年 9 月 7 日，NCBI 資料庫中總共有 35 個跟 TSPOAP1 相關資料集和 46 個跟 TSPO 相關資料集之後運用 IPA 進行分析。

 

探討與 TSPOAP1 和 TSPO 相關的經典訊號路徑

 

TSPOAP1 與 TSPO 之間存在密切關聯。儘管有很多研究對於 TSPO 的作用機制和生物功能進行了探討，但對於 TSPOAP1 在人類疾病中扮演的角色和功能了解甚少。因此，為了解 TSPOAP1 的功能以及它與 TSPO 之間的相互作用，作者使用 IPA 進行了經典訊號路徑分析，包括對與 TSPOAP1 和 TSPO 相關的訊號分子的表達分析。分析確定了壞死機制、sirtuin信號通路、粒線體功能障礙和發炎體為主要的訊號路徑 (圖 3 和圖 4A)。

 

壞死機制是一種細胞死亡模式其調節機制與凋亡相似 。其中 TSPOAP1 和 TSPO 被預測和神經退行性疾病相關 (圖 4E)，其疾病特點包括慢性神經發炎和神經元死亡。而與 TSPOAP1 和 TSPO 有關的粒線體功能障礙已知在氧化壓力、細胞凋亡、代謝和免疫反應中扮演重要腳色這種功能障礙源自於 ATP 生產和電子傳輸機制的異常，導致 ATP 合成減少和活性氧物質增加，最終導致代謝綜合症和組織的氧化損傷。此外，研究還確定發炎體的調節與 TSPOAP1 和  TSPO 相關聯。發炎體是先天免疫系統的多蛋白質複合體，包括 NLRP3、 NLRC4、AIM2 和 caspase-11，它們負責對抗外來物和感染引發的發炎反應。

 

綜合以上研究作者可以得出結論，TSPOAP1 和 TSPO 在發炎路徑中扮演重要角色，並在發炎、氧化壓力和代謝綜合症等過程中發揮著重要作用。

 

 

▲圖 3、 IPA預測的 TSPOAP1 和 TSPO 的經典信號通路。

 

 

▲圖 4、
(A) TSPOAP1 與 TSPO 的前幾個共同經典訊號通路。
(B) TSPOAP1 在經典通路中的交互作用夥伴。
(C) TSPO 在經典通路中的交互作用夥伴。
(D) TSPOAP1 的前幾個經典通路的重疊，強調這些信號通路中的共同酶、蛋白質和基因。
(E) 與 TSPOAP1 相關的前五種人類疾病和功能。

 

對 TSPOAP1 和 TSPO 蛋白交互作用網路的分析

 

在預測了經典路徑後，研究者對 TSPOAP1 和 TSPO 在這些路徑中的交互作用蛋白進行了深入的分析。在所有預測的經典路徑中，作者發現了幾個主要的共同作用夥伴，包括 TNFR1、VCAM1、CREB1、NLRP3 和 DNA-PK（圖 4B、 C）。 此外 TSPOAP1 和 TSPO 之間還有其他共同作用夥伴，例如：粒線體 ATP 合成酶（MCV）、L-selectin、AGPAT1 和 VDAC。這些共同作用夥伴的存在暗示了 TSPOAP1 和 TSPO 在功能和角色上的重疊性。由於最主要的信號路徑都是 TSPOAP1 和 TSPO 共同擁有的（圖 4A 於是之後的研究焦點轉向了在這些經典路徑中與 TSPOAP1 和 TSPO 互動的蛋白質之間的差異。通過對這些路徑中交互作用蛋白的分佈進行分析，作者發現在 TSPOAP1 信號
中，TCR 和 m-PTP 有顯著的分佈，而在 TSPO 訊號中，MAP3K10 和 FCERIG 的出現頻率更高。此外，負責粒線體與細胞質之間運輸的 VDAC1/2/3 在 TSPO 的信號中也更加頻繁地出現。

 

TSPOAP1 和 TSPO 通過與 TNFR1 和 NLRP3 等分子結合，以及下游的 NF-κκB 路徑介導發炎反應，並在發炎、細胞凋亡和免疫反應等生物過程中扮演核心角色 。此外，TSPOAP1 和 TSPO 還對 VCAM1 的活性進行調節 VCAM1 是一種跨膜蛋白，有助於白血球與內皮細胞之間的黏附。 同時 TSPOAP1 和 TSPO 也參與了 CREB1 的調節。CREB1 一種轉錄因子，通過與 cAMP 響應元件調節蛋白（Crem）和活化轉錄因子 1（Atf1）的結合促進細胞增殖和分化。 TSPOAP1 和 TSPO 還影響了 DNA-PK 對 DNA 損傷的修復反應。綜合來看，這些蛋白質與 TSPOAP1 和 TSPO 的互動反映了它們在功能上的重疊，包括在發炎、氧化壓力、代謝綜合症和癌症中的共同作用。

 

除了整理 TSPOAP1 和 TSPO 的共同作用夥伴外，研究還區別出與 TSPOAP1 或 TSPO 獨有或優勢的交互作用蛋白，這可以幫助作者區分它們的功能。本篇研究發現在 TSPOAP1 的經典路徑中，TCR 和粒線體通透性轉換孔 (mPTP) 的分佈百分比明顯高於 TSPO 的路徑（圖 4B 與圖 4C）。TCR 是一種蛋白質，通過信號傳遞機制識別主要組織相容性複合物（MHC）上的外來抗原，並活化 T 細胞，而在 TSPOAP1 的經典路徑中觀察到 TCR 占比明顯較高，這或許解釋了 TSPOAP1 在免疫反應中透過活化 TCR 而產生作用。 而在先前其他研究有發現粒線體通透性轉換孔 (mPTP) 的形成和開啟延長，會導致粒線體功能損傷、胞器腫脹和破裂，最終則導致粒線體細胞死亡。其中本篇研究發現，主要與粒線體通透性轉換孔 (mPTP) 互動的是 TSPOAP1，而不是先期其他研究多次提及的 TSPO。這使作者開始關注研究 TSPOAP1 是否在粒線體通透性轉換孔 (mPTP) 的形成中具有直接或間接的聯繫，並開拓了新的研究範疇。

 

關於 TSPO 的獨有作用夥伴，研究觀察到 MAP3K10 和 FCER1G 在經典路徑中的百分比分佈高於 TSPOAP1（圖 4B 與圖 4C）。MAP3K10 在對氧化壓力和發炎反應的活化中扮演重要腳色；通過下游的 JNK 訊號路徑，在大腦組織的發炎中發揮關鍵作用。FCER1G 是免疫球蛋白 E IgE 的組成部分通過下游 MAPK、磷脂酰肌醇和 NF-κB 信號級聯調控過敏性發炎訊號 。因此 TSPO 訊號中 MAP3K10 和 FCER1G 蛋白的高比例顯示 TSPO 可能在介導發炎反應方面比 TSPOAP1更廣泛。

 

綜合上述研究結果，顯示了 TSPOAP1 和 TSPO 在發炎、氧化壓力、代謝綜合症和癌症等方面的共同功能。 並透過特定的交互作用夥伴，凸顯了它們的相似性和差異性。

 

TSPOAP1 與 TSPO 之間的交互作用調節因子網路

 

為了建立 TSPOAP1 和 TSPO 之間的關係網路作者對它們顯著的訊號路徑（圖 3、圖 4A）以及與 TSPOAP1 和 TSPO 相關的人類基因（來自 NCBI 資料庫）進行了重疊評估。 這些訊號路徑的重疊以及相關基因的交叉分析顯示了  VDAC1/2/3 作為調節 TSPOAP1 和 TSPO 之間關聯的關鍵因子（圖 4D）。VDAC1/2/3 是多孔性離子通道，負責在粒線體和細胞質之間運輸物質，同時改變粒線體通透性轉換孔 (mPTP) 的活性，並參與細胞凋亡過程，這暗示了 TSPOAP1 和 TSPO 可能會影響或調控這些功能。

 

TSPOAP1 與 TSPO 相關的疾病和功能預測

 

作者使用 IPA 進行了熱圖分析，以預測 TSPOAP1 和 TSPO 所涉及的主要疾病和功能。這項分析顯示，TSPOAP1 主要與磷酸甘油脂、阿茲海默症、神經退化性疾病、急性骨髓性白血病原始細胞的黏附以及人類冠狀動脈內皮細胞的黏附等功能相關（圖 4E、圖 5）。具體而言，TSPOAP1 的異常可能干擾磷酸甘油酯的正常功能，從而損害了大腦中的心磷脂活性，進而導致神經退化性疾病和癌症。此外，TSPOAP1 透過促進急性骨髓性白血病細胞的黏附，促進對化療藥物的耐藥性。因此 TSPOAP1 可能成為治療耐藥性急性骨髓性白血病的潛在藥物靶點。此外，基於其在人類冠狀動脈內皮細胞附著中的作用，TSPOAP1 可能在多種疾病中起著關鍵作用，如動脈粥樣硬化。因此，開發針對  TSPOAP1 的藥物可能是治療冠狀動脈疾病的一種有前景的策略。

 

至於 TSPO 根據 IPA 的熱圖分析，它被預測參與了多種疾病，包括發炎、神經發炎和神經退化性疾病、癌症以及代謝綜合症 (圖 6）。這些預測在理論上是合理的，因為 TSPO 能產生活性氧物質，從而影響粒線體通透性轉換孔 (以降低 ATP 合成，最終導致細胞凋亡 。

 

▲圖 5、熱圖展示了 TSPOAP1 的相關疾病和功能。

 

▲圖 6、 熱圖展示了 TSPO 的相關疾病和功能。

 

結論

 

在本篇研究中 IPA 提供了一個強大的平台，對 TSPOAP1 和 TSPO 這兩種蛋白質的交互作用網路和路徑進行了系統性的分析和解釋。以下是 IPA 在研究中的幾個關鍵作用：

1. 交互作用網路和路徑的建立與分析

透過利用 IPA 建立和分析交互作用網路和路徑，研究人員能夠更全面了解並比較這兩個蛋白質之間的交互作用以及它們在細胞內的功能和調節機制。

2. 疾病和功能的預測

透過分析基因和交互作用網路 IPA 可以預測與 TSPOAP1 和 TSPO 相關的疾病和功能。這有助於研究人員了解這些蛋白質在不同生理和病理條件下的潛在作用，並為進一步的實驗研究提供了方向。

3. 結果的解釋和呈現

IPA 不僅提供了分析結果的資料，還通過繪製熱圖、圖表等視覺化來呈現這些結果。這有助於研究人員更好地理解和解釋研究結果，並為進一步的研究和討論提供了依據。

 

總而言之 IPA 通過系統性的資料分析，幫助研究人員深入研究 TSPOAP1 和 TSPO 的功能、交互作用和在不同疾病中的潛在作用。這些結果不僅擴展了研究者對 TSPOAP1 和 TSPO 的認識，也為未來的研究和治療策略制定提供了寶貴的訊息 。