生物信息學(xué)分析(作業(yè)模板)

1、生物信息學(xué)課程作業(yè)乳腺癌轉(zhuǎn)移抑制基因brms1在果蠅中同源基因cg4400的生物信息學(xué)分析（x后院 xx專業(yè) 學(xué)號 姓名）摘要：乳腺癌是西方國家婦女中發(fā)病率和致死率最高的癌癥之一，而癌轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致癌癥死亡率高的最主要原因，因此研究與癌癥轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因具有十分重要的 意義。與癌轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因分為癌轉(zhuǎn)移促進基因和癌轉(zhuǎn)移抑制基因。brms1是新發(fā)現(xiàn)的一個乳腺癌抑制基因，由于在人和小鼠對于其分子作用機制研究的困 難，所以用果蠅作為模式動物來進行研究。本文對果蠅中brms1基因的同源基因cg4400的蛋白質(zhì)序列進行生物信息學(xué)分析，得到一些關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測 信息，以指導(dǎo)今后的工作。關(guān)鍵詞：乳腺癌轉(zhuǎn)移抑制

2、基因 brms1 cg4400生物信息學(xué)分析背景介紹在西方國家中，乳腺癌是婦女中發(fā)病率和致死率最高的癌癥之一 1 o在美國， 從1970年至今，人群中乳腺癌的致死率幾乎沒有變化2。當(dāng)月中瘤只局限在乳腺 中時，乳腺癌的治愈率超過90%而當(dāng)癌細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移時，長期的存活率就取決 于癌細(xì)胞擴散的程度和位置。轉(zhuǎn)移至內(nèi)臟器官和腦部最為危險，五年的存活率降 低至不到20%3。癌轉(zhuǎn)移是一個多步的過程，轉(zhuǎn)移過程中癌細(xì)胞從原發(fā)腫瘤的位 置擴散，并在另一個器官中形成二級月中瘤4。癌轉(zhuǎn)移是癌癥患者死亡的最主要原 因。而月中瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移歸因于細(xì)胞的遺傳學(xué)改變的積累，這一觀點已被人們廣泛接受。因此，找到與月中瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)

3、移相關(guān)的基因，理解其分子機制就非常必要 了，這也成為當(dāng)今生物學(xué)家研究的一個熱點。與乳腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因分為兩類，一類為轉(zhuǎn)移促進基因，其定義類似于原 癌基因,促進非轉(zhuǎn)移細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移，包括 ras, mek1 mtal, proteinases, adhesion molecules, chemoattractants/receptors, autotaxin, pkc,s100a4, rhoc osteopontin等，其中一些基因還有原癌基因的功能，例如ras和mek1還有一類為轉(zhuǎn)移抑制基因，它們不影響原發(fā)月中瘤的生長而只抑制其轉(zhuǎn)移，包括nm23e-cadherin, timps, kiss1

4、, kai1, maspin mkk,4brms。這里需注意的一點 是轉(zhuǎn)移抑制基因與腫瘤抑制基因的區(qū)別，月中瘤抑制基因不僅減緩原發(fā)月中瘤的生 長，還抑制月中瘤轉(zhuǎn)移5。至今對于癌轉(zhuǎn)移抑制基因作用的分子機制了解還很少， 只有nm23因的研究較為清楚。研究結(jié)果表明nm23ra呼目關(guān)蛋白gtpase rad 互作用6, nm綠族的成員nm23bh調(diào)控rhoc族的gtpase 7。7本文主要討論的是乳腺癌轉(zhuǎn)移抑制基因 brms1 (breast metastasis suppressor 1)。這個基因最早是用差異顯示(differential display)的方法，通過比較轉(zhuǎn)入具 有抑制癌轉(zhuǎn)移功能的

5、人類11號染色體的mda-mb-435細(xì)胞和其親代具有轉(zhuǎn)移能 力的細(xì)胞得到的，這個基因定位于人類染色體的 11q13.1-q13.2z：域，該區(qū)域在晚 期的乳腺癌細(xì)胞中經(jīng)常發(fā)生改變。穩(wěn)定轉(zhuǎn)染 brms1能顯著降低mda-mb-435 和mda-mb-231孚l腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力而不影響其月中瘤的發(fā)生8。在鼠的乳腺 細(xì)胞系和人的黑素瘤細(xì)胞系中這個基因也同樣表現(xiàn)出抑制轉(zhuǎn)移的活性5。迄今的研究結(jié)果表明，brms<mda-mb-435細(xì)胞中的表達可以改變細(xì)胞間的間隙連 接(gapjunction),使其類似于正常的乳腺細(xì)胞9。brms1會與pbp1 (retinoblastomabinding

6、protein 1)以及msin3 hdac (histone deacetylase complex 形成復(fù)合 物來抑制某些基因的轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄調(diào)控可能是 brms1抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的機制100 但是對于brms1抑制癌轉(zhuǎn)移的作用機制仍不清楚。brms1基因高度保守，在氨 基酸水平上鼠的brms1基因與人的同源性高達95%5,由此給我們一個啟示，即 用經(jīng)典的較低等的模式動物，如果蠅來進行brms1作用的分子機制的研究。以往 所得到的研究結(jié)果都是在人類乳腺癌細(xì)胞系或小鼠中研究得到的，由于倫理道德等的原因，我們不可能用人進行活體試驗，這樣就并非真正意義上的體內(nèi)試驗， 所得到的結(jié)果與實際情況會有一定的偏

7、差；而小鼠的遺傳背景較為復(fù)雜，試驗的成本也較高，因此用果蠅來研究高度保守的基因的作用機制有很多優(yōu)勢，比如遺傳工具繁多，遺傳背景清楚，生活周期短，成本低等。對人類乳腺癌轉(zhuǎn)移的研究 可以借鑒果蠅中的研究成果。之前也曾有用果蠅來進行月中瘤抑制基因研究和癌轉(zhuǎn) 移抑制基因篩選的報道-12,13。本文的目的就是對果蠅中的brms1基因的同源基 因進行一些生物信息學(xué)分析，以期能夠指導(dǎo)將來的研究工作。方法與結(jié)果首先，根據(jù)最先發(fā)現(xiàn)人類brms仰因的文章所提供的提交在ncbi上的該基 因cdna的序列號af159141從ncbi上調(diào)出該cdna序歹如下：>gi|9828166|gb|af159141.1|a

8、f159141 homo sapiens breast cancer metastasis-suppressor 1 (brms1) mrna, complete cdsagaaaagggagccgcgcagcgcctacgggagtccggcggcagcagccggtaccggc aaccacgggcagctctcagggaatctccgtcgtgaggccagaggctccagtccccgc gagtccagatgcctgtccagcctccaagcaaagacacagaagagatggaagcagag ggtgattctgctgctgagatgaatggggaggaggaagagagtg

9、aggaggagcggag cggcagccagacagagtcagaagaggagagctccgagatggatgatgaggactatg agcgacgccgcagcgagtgtgtcagtgagatgctggacctagagaagcagttctcgg agctaaaggagaagttgttcagggaacgactgagtcagctgcggttgcggctggagg aagtgggggctgagagagcccctgaatacacggagccccttggggggctgcagcggagcctcaagattcgcattcaggtggcagggatctacaagggcttctgtctggatgtg

10、 atcaggaataagtacgaatgtgagctgcagggagccaaacagcacctggagagtga gaagctgctgctctatgacacgctgcagggggagctgcaggagcggatccagaggct ggaggaggaccgccagagcctggacctcagctctgaatggtgggacgacaaactgc acgccagaggcagctccaggtcttgggactccctgccgcccagcaagaggaagaagg cacctctggtttctggcccatacatcgtgtacatgcttcaagagatcgacatcctgga ggactggaca

11、gccatcaaaaaggctagggcagctgtgtcccctcagaagagaaaatc ggatggaccttgaccctgctgttcacagccagggggaccctcagagcagctggcact gcacccaggattctcgtcttcctcctgcagacaggcggacccacaggcccctcagggt ctgcccagccaggctcctgtggtgctgctgggccctcccactccatctggcactggcc tggactcctcctctgccctcctcgaggcctgcacagctgtggccgtggagctgacctg accaggcaaggctgctg

12、tctccatccctgagccgcctgccacctcccactcctgaaga tccatctcttggggctcccctgacagagaagacagccgaagtcaaagccacatcctc ttgctgatgttggatgcaggctgtccagcctcagggccagggagccaagtttccactg tgcgggaactctgagtcagaacgttgattatctgggggtcttgtccaccctggctgga tctggaggcaagatgccaggccccccaaggtgttctcagggcaagttcttggtgtctg ctttctcagattccaaggactgg

13、aattaaaacctttcctgggaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa其翻譯所得的蛋白質(zhì)序列（ncbi序列號aag00075）為：>gi|9828167|gb|aag00075.1|af159141_1 breast cancer metastasissuppressor 1 homo sapiensmpvqppskdteemeaegdsaaemngeeeeseeersgsqteseeessemddedyerrrsecvseml qfselkeklfrerlsqlrlrl

14、eevgaerapeyteplgglqrslkiriqvagiykgfcldvirnkyecel qgakqhleseklllydtlqgelqeriqrleedrqsldlssewwddklhargssrswdslppskrkk vsgpyivymlqeidiledwtaikkaraavspqkrksdgp然后所得到白蛋白質(zhì)在flybase果蠅基因組數(shù)據(jù)庫用blastp命令、選擇swissprot and trembproteins(aa)數(shù)據(jù)庫進行蛋白質(zhì)序列比對，其結(jié)果如下：color key for fllignnent scores40-5050-8080-200>=2ul

15、87;iclll,sequences producing significant alignments:(bits)q9vyi2 cg4400protein (ld14895p).q8ms11re74901p.q9vwgcg14220protein.q9vhg1cg8454protein (re66051p).q9v385 pnut protein (ld37170p).pnut drompeanut protein.q9v951 cg9945 protein (at18160p).q9vts7cg6793 protein.kl61 dromeipolar kinesin krp-130 (k

16、inesin-like protein klp61f).aaf47436 cg18214-pa (cg18214-pc).q9w0l0rho family guanine nucleotide exchange factor trio (guanine- q8igy6 re05346p (fragment).q9vua3cg32137 protein.q8swrre18568p (cg32137 protein).q8imx3 cg6129-pc.q9vcd1cg6129-pb.q8iq08 cg2808-pa.q8msn3at16851p.q9vef5cg7379 protein (gh01

17、429p).score e value 127 5e-30 62 5e-10 625e-1035 0.060 32 0.39 32 0.39 28 4.3 28 4.3 28 4.328 5.628 5.628 7.328 7.328 7.327 9.5 27 9.527 9.527 9.527 9.5由此結(jié)果可知，黑腹果蠅中 cg440ckh為人brms基因的同源基因。在flybase中查找cg440原因的信息，得知cg440qs位于果蠅的x染色體的11d1區(qū)域，其蛋白質(zhì)序列為:>cg4400-paype=protein; 10c=x:complement(12639007.12639

18、348,12639596.12639840,12639908.12640097); id=cg4400-pa; name=cg4400-pa; db_xref=flybase:fbpp0073526,gb_protein:aaf48213.2,flybase:fbgn0030434,flybase:cg4400-pa; len=259mpvkngesdgegdvsggesehsnssqphdtsdeeeanecdsddsseldaseidrrraehiedllsle fnelreqyyverinlierqlaevrsgrseefvqpqkeldkkyrtrievadvlrkyrlqniehky

19、qseec aavqhfesekhmaldnlreefmerirrleedrhnvdiswadwgtdkrqskvrgpgrkkavtvtgpy mlreedimedwtiirkalkrssssataagtvtptsgvsvslsglpamagasg接著對于/g4400ffi蛋白質(zhì)匠到 unix進行基本的蛋白質(zhì)信息分析: 首先，m'pepstats分析氨基酸組瓦、黑結(jié)果如下：molecular weight = 29560.36 residues = 259average residue weight = 114.133 charge = -13.5isoelectric point

20、= 4.6782a280 molar extinction coefficient = 26030a280 extinction coefficient 1mg/ml = 0.88dayhoffstatprobability of expression in inclusion bodies = 0.757a =ala176.5640.763b =:asx00.0000.000c =cys10.3860.133d =asp197.3361.334e =glu3513.5142.252f =：phe41.5440.429g :=gly155.7920.689h =his72.7031.351i

21、=ile114.2470.944k =:lys135.0190.761l =:leu176.5640.887m :=met62.3171.363n =asn83.0890.718p =pro72.7030.520q :=gln114.2471.089r =arg249.2661.891s =ser2710.4251.489t =:thr103.8610.633v =val176.5640.995w=trp31.1580.891x =:xaa00.0000.000y =tyr72.7030.795z =glx00.0000.000residue number mole%property resi

22、duesnumber mole%tiny (a+c+g+s+t)7027.027small (a+b+c+d+g+n+p+s+t+v) 12146.718aliphatic (i+l+v)4517.375aromatic (f+h+w+y)218.108non-polar (a+c+f+g+i+l+m+p+v+w+y) 10540.541polar (d+e+h+k+n+q+r+s+t+z) 15459.459charged (b+d+e+h+k+r+z)9837.838basic (h+k+r)4416.988acidic (b+d+e+z)5420.849然后用pepinfo命條。析氨基酸

23、殘基的信比結(jié)果如下:srrdl 陽修 oguoo-pa fr-arrt rslign i g359川bii叫 iii“wtlij 冊ml iii1陽wffwii nesidun由誨曲口證residues瀉hie玳匕作&wu。白 lh cg44q0-pa fwft qimbijri 1 忡 25s50''_ido_,150_2d0''""_so4rtmiilk ritlduftg?dr niidu4s.由 ccaffldm 奇州n 留冶 1tm 1 to 25ftnaiimwnmiiiunlhiim50100150200250pddr

24、rfe£ju«uu iiiiiliiiii mill i1lli1oso】a>1 4 iso刈ptdrth« 依&bem*gu"而 隧i1呢s h 84400* fk，e peti&n i to 2591111 胤皿川川|q益 '1w_s' ' "-ntodurt eedu"接著用tmap命名查看該蛋白是否有g(shù)f膜區(qū)（結(jié)果如下圖所示）,可見該蛋 白沒有明顯的跨膜區(qū)域。tmap050100150200250residue number生物信息學(xué)課程作業(yè)最后再用garnier命令顯示蛋白質(zhì)二級

25、結(jié)構(gòu)，其結(jié)果如下.10 . 20 . 30 . 40 . 50mpvkngesdgegdvsggesehsnssqphdtsdeeeanecdsddsseldas helixhhhhhhhhhh hhhhhhhsheet ee turns tt ttttttcoil ccccccc ccccccccc ccccccc .60 . 70 . 80 . 90 . 100eidrrraehiedllslerqfnelreqyyverinlierqlaevrsgrseef helix hhhhhhhhhhhhhhhhhhhh hh hhhhhhhhhhhhhhhhhh hh sheet turnstt

26、coilcccccc.110 .120 . 130 .140 .150vqpqkeldkkyrtrievadvlrkyrlqniehkyqseeqaavqhfesekhm helix hhhhhhhh hhh hhhhhhhhhhhh h hhhhhhhhhhhhhhhh sheet eee turns t coilc ccccc.160 . 170 . 180 . 190 . 200aldnlreefmerirrleedrhnvdiswadwgtdkrqskvrgpgrkkavtv helix hhhhhhhhhhhhhhhhhh sheete e eeeeeturnstttt t t tt

27、 tttttt t tt tcoilc c c c cc c.210 . 220 . 230 . 240 . 250tgpyvvymlreedimedwtiirkalkrssssataagtvtptsgvsvslsg helix hhhhhhhhhhhhhhhh sheet eeeeeeeeeeeeee eeeeeeturnstt tcoilc ccccccc c cc0 lpamagasg helix hhhh sheet ee turns coil c ccresidue totals: h:137 e: 34 t: 32 c: 56 percent: h: 56.4 e: 14.0 t:

28、 13.2 c: 23.0通過以上分析，得到了關(guān)于該蛋白的一些基本的信息。接下來在prosite數(shù)據(jù)庫中用scanprosite程序(參數(shù)選項均為默認(rèn)值)預(yù)測該蛋白中有哪些特征序列，結(jié)果預(yù)測出有8個酪蛋白激酶ii(ckii)磷酸化位點，1 個大冬酰胺n末端糖基化位點，3個蛋白激酶c#酸化位點、1個酪氨酸激酶磷酸化 位點、1個雙向核定位序列、2個campcgm依賴性的蛋白激酶磷酸化位點、1個 amidation位點、1個nc端十四烷基化位點。具體結(jié)果如下：ps00006 ck2_phospho_site casein kinase ii phosphorylation site8 - 11:sd

29、ge15 -18:sgge30 - 33:tsde31 - 34:sdee45 - 48:seld50 - 53:seid113 -116: trie176 - 179: swadps00001 asn_glycosylation n-glycosylation site :23 - 26:nssqps00005 pkc_phospho_site protein kinase c phosphorylation site :94 - 96:sgr146 - 148:sek182 - 184:tdkps00007 tyr_phospho_site tyrosine kinase phosphor

30、ylation site : 105 - 111: kel.dkk.yps00015 nuclear bipartite nuclear targeting sequence :109 - 125: kkyrtrievadvlrkyrps00004 camp_phospho_site camp- and cgmp-dependent protein kinase phosphorylation site : 184 - 187:krqs226 - 229:krssps00009 amidation amidation site :192 - 195:pgrkps00008 myristyl n

31、-myristoylation site :243 - 248: gvsvsl再用unix軟件的water命令， 比對人類brms1果蠅cg4400歹1， 以找到保守 區(qū)域，參數(shù)的設(shè)置為 matrix: eblosum62, gap_penalty: 10.0 , extend_penalty: 0.5 。結(jié) 果如下：length: 235 identity: 92/235 (39.1%) similarity: 147/235 (62.6%)gaps: 14/235 ( 6.0%) score: 434.0cg4400-pa1 mpvkngesdgegdvsggesehsnssqphdtsd

32、eeeanecds-ddsselda 49|:.|.|.:.|:|.:.:.:.:|.:.:| :|:|.1 mpvqppskdteemeaegdsaaemngeeeeseeersgsqteseeessemdd 50cg4400-pa50 seidrrraehiedllslerqfnelreqyyverinlierqlaevrsgrsee 99.:.:|:|.:.:|.|:|:|:|:.:.|:.:.:|.|.:.|:.|51 edyerrrsecvsemldlekqfselkeklfrerlsqlrlrleevgaerape 100cg4400-pa100 fvqpqkeldkkyrtrie

33、vadvlrkyrlqniehkyqseeqaavqhfesekh 149:.:|.|.:.:.|:|.:.:.:.|.|.:|:.|.|.|.|.|.101 yteplgglqrslkiriqvagiykgfcldvirnkyecelqgakqhlesekl 150cg4400-pa150 maldnlreefmerirrleedrhnvdiswadwgtdkrqskvrgpg 193:.|.|:.|.|:|.:|:| :|.|.: |. 151 llydtlqgelqeriqrleedrqsldls-sewwddklha-rgssrswdsl 197cg4400-pa194 rkkavtv

34、tgpyvvymlreedimedwtiirka 224lll|.|：lll：llll：|.|：lll|.|：ll198 ppskrkkaplvsgpyivymlqeidiledwtaikka 232最后利用swiss-mode顏據(jù)庫預(yù)測該蛋白白三維結(jié)構(gòu)，設(shè)lower blastlimit=0.00001。結(jié)果沒有找到與已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白一致性高于25%的蛋白，故無法預(yù)測其結(jié)構(gòu)。又用3d-pssm 和predictprotein 預(yù)測該蛋白三維結(jié)構(gòu)，找 到的與已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)最高的一致性為 21% ,故無法較為準(zhǔn)確地預(yù)測該 蛋白三維結(jié)構(gòu)。討論該蛋白基本信息的分析，對于今后工作中該蛋白的分離

35、純化提供了非常有用 的信息。由跨膜區(qū)分析和特征序列的分析結(jié)果可知，該蛋白中沒有明顯的跨膜區(qū)， 而且有雙向核定位序列，這點與人類brmss白可能定位在核內(nèi)并調(diào)控轉(zhuǎn)錄這點 相一致。對人類brms1白進行同樣的特征序列分析，發(fā)現(xiàn)也有酪蛋白激酶ii磷 酸化位點、campcgm依賴性的蛋白激酶磷酸化位點、蛋白激酶喇酸化位點以 及十四烷基化位點。這暗示著果蠅cg44qb白與人類brms1白可能有相似的分 子作用和調(diào)控機制，而且經(jīng)序列比對，果蠅cg440tt因與人類brms1因蛋白序 列有39.1%勺一致性，62.6%勺相似性，可見該序列高度保守。這樣利用果蠅的遺 傳學(xué)研究優(yōu)勢，在果蠅中研究所得的結(jié)果將會指

36、導(dǎo)人類乳腺癌轉(zhuǎn)移的研究，所以我們的工作非常有意義。但是通過進行人類brms1白和果蠅cg440ff白的序列 比對分析，發(fā)現(xiàn)序列各區(qū)域保守性的高低似乎與這些特征序列沒有明顯的聯(lián)系， 根據(jù)我們現(xiàn)在普遍接受的觀點，即認(rèn)為保守性越高的區(qū)域功能越保守， 可知也許 是由于信息不足，所以分析出的結(jié)果不是很準(zhǔn)確所致，但具有一定的指導(dǎo)意義。 另外從各種蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果來看，現(xiàn)在對于這種蛋白還所知甚少，只有通過各種試驗證據(jù)和信息的積累，人們才能逐漸了解這個現(xiàn)在還很陌生的基 因。而生物信息學(xué)分析將會和試驗相輔相成，大大加快該基因的研究腳步。致謝感謝羅靜初老師和陳新老師教給我生物信息學(xué)分析方法，給我的工作帶來

37、了 很大的幫助。感謝楊勇飛同學(xué)對于本文的中肯建議。參考文獻1. minna allinen, rameen beroukhim, li cai, cameron brennan, jaana lahti-domenici,haiyan huang, dale porter, min hu, lynda chin, andrea richardson, stuart schnitt,william r. sellers, 10生物信息學(xué)課程作業(yè)and kornelia polyak , molecular characterization of the tumor microenvironmen

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