蛋白质相互作用生模板

蛋白质相互作用生模板第1页/共71页研究蛋白相互作用的意义蛋白质是生命功能的执行者，也是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理情况下的变化机制，而蛋白质功能的实现离不开蛋白质与蛋白质或蛋白质与其他生物大分子之间的相互作用。蛋白质的相互作用以细胞结构，生化活性和能动行为为基础。第2页/共71页蛋白质间的相互作用是实现功能的基础，细胞进行生命活动过程是蛋白质在一定时空下的相互作用。第3页/共71页相互作用的蛋白质的含义为：参与同一个代谢途径（Metabolicpathway）或生物学过程（Biologicalprocess）；属于同一个结构复合物（Structuralcomplex）或分子机制（Molecularmachine）的元件。它们之间可以发生“物理”上的接触，也可以不接触，而仅是遗传上关联。研究蛋白质间相互作用的最终目标是建立模式细胞系统中全部蛋白质相互作用的网络，即蛋白质相互作用组（Interactome），这将为研究蛋白质的其它功能及细胞的全局特征构筑一个框架。由于蛋白质相互作用网络的破坏和失稳，可能引发细胞功能障碍，因此，蛋白质相互作用网络的建立有助于发展网络动态模型，寻找合适的药物作用靶点，将为新药开发提供理论依据。第4页/共71页蛋白质间相互作用研究的实验技术近年来用于蛋白质间相互作用研究的分析技术：酵母双杂交系统、荧光共振能量转移技术、表面等离子体共振技术、蛋白质芯片技术、第5页/共71页酵母双杂交系统酵母双杂交系统（Yeasttwo-hybridsystem）由Fields和Song（Natrue，1989年）首创，是建立在对真核转录激活因子认识的基础上。真核转录激活因子包括两个功能结构域：一个是与上游激活序列（Upstreamactivatingsequence，UAS）结合的DNA结合结构域（DNA-bindingdomain

，BD）；另一个是DNA激活结构域（DNAActivationdomain

，AD）。第6页/共71页将目的蛋白的基因转入带有BD结构域的质粒载体中，并把其转入酵母细胞中表达一个融合蛋白—诱饵蛋白（Bait）；把要筛选的cDNA文库中所有基因片段克隆至带有AD结构域的另一质粒载体中，表达另一个杂交蛋白—靶蛋白（Prey）。然后共转化酵母菌或是通过两个单倍体酵母菌融合，在选择性缺陷培养基上筛选，通过对报告基因表型的鉴定来确定两个蛋白是否存在相互作用。第7页/共71页荧光共振能量转移技术荧光共振能量转移（Fluorescenceresonanceenergytransfer，FRET）理论由Forster于1984年提出，是指两个荧光发色基团在足够靠近时，若供体分子吸收一定频率的光子后被激发到更高的电子能态，当该电子回到基态时，可通过偶极子相互作用，实现能量向邻近的受体分子转移，即发生能量共振转移。第8页/共71页FRET技术能够定时、定量、定位、无损伤地检测活细胞内两个蛋白质间的相互作用，但细胞内复杂的生命活动常常是通过两个以上分子之间相互作用实现的，如何检测这种多分子间的动态作用机制是当今分子生物学研究面临的一个难题。为满足这种需求，研究人员提出了一种三色荧光的二步级联FRET（2-stepFRET）技术，作为一种新兴技术，它能检测活细胞内3个生物分子间的相互作。第9页/共71页表面等离子体共振技术表面等离子体共振（Surfaceplasmonresonance

，SPR）技术是瑞典Phamacia公司在20世纪90年代开发的生物传感技术，其基本原理是，当一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时，如入射光的波向量与金膜内表面电子的振荡频率匹配，光线则耦合入金膜引发电子共振，即表面等离子体共振，其中电子吸收入射光线能量后达到最小反射光强度时所对应的入射光角度被称为SPR角。第10页/共71页将探针或配体固定于传感器芯片的金膜表面，当含分析物的液体流过传感片表面，分子间发生特异性结合时，可引起传感片表面折射率的改变，从而通过检测SPR角的信号改变，测定分子间的相互作用。第11页/共71页蛋白质芯片技术蛋白质芯片（Proteinchip）技术是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，其基本原理是，将各种蛋白质有序地固定于滴定板、滤膜或载玻片等各种载体上作为检测用的芯片，然后，用标记了特定荧光的蛋白质或其他成分与芯片作用，将未能与芯片上蛋白质互补结合的成分洗去，再利用荧光扫描仪或激光共聚焦扫描技术，测定芯片上各点的荧光强度，通过荧光强度分析蛋白质间的相互作用，最终达到测定各种蛋白质功能的目的。第12页/共71页第13页/共71页研究蛋白质相互作用的网络是理解细胞网络结构及功能，是理解生命新陈代谢以及疾病发生的基础和关键；在蛋白质组研究领域，利用高通量的实验方法来鉴定和分类蛋白质、细胞内的蛋白区域和蛋白质的相互作用，产生了很多的生物信息记录，这就需要有一些标准且特异的数据库来描述和储存这些相互作用的信息，其结果导致了大量的蛋白质相互作用数据库的发展。第14页/共71页生物信息学方法生物信息学（Bioinformatics）是在生命科学、计算机科学、物理学、化学和数学的基础上逐步发展而形成的一门新兴交叉学科，是以理解各种数据的生物学意义为目的、运用数学与计算机科学手段进行生物信息的收集、加工、存储、传播、分析与解析的科学。第15页/共71页生物信息学在基因组学和蛋白质组学的研究中起着特殊的重要作用，因为基因组学和蛋白质组学研究所提供的数据数量之巨大在生物学史上是史无前例的，且蛋白质组学比基因组学更具复杂性，因而蛋白质组信息学的发展与应用面临着更多挑战。第16页/共71页在后基因组时代，生物信息学的研究内容已经从对基因组和蛋白质组数据的高效分析转移到比较基因组学、代谢网络分析、基因表达谱网络分析、蛋白质结构与功能分析以及药物靶点筛选等方面，分别与功能基因组、蛋白质组、结构基因组等研究领域互相配合、紧密相关，成为目前极其热门的系统生物学研究的重要基石。第17页/共71页生物信息学方法大都是基于从已知数据库来分析比较未知蛋白的功能及其相互作用蛋白。生物信息学分析无需具体的实验操作，往往是在整个基因组规模上进行研究，可获得较大的信息量。根据蛋白晶体结构的互补性，也可推测蛋白间可能的相互作用，但遗憾的是，这些方法以结构数据为前提，若数据库中没有可供分析的数据则无法比较。第18页/共71页目前大规模研究产生的数据均未达到饱和，需要整合所有的研究数据而不是分析单一的实验结果，才能得到更加清晰、有用的生物学信息。值得一提的是，在细胞中有些蛋白质的相互作用是瞬时的、不稳定的，以实验为基础的研究方法很难捕捉到这种相互作用，而基于生物信息学的分析则能弥补这一不足。第19页/共71页生物信息学方法预测蛋白质相互作用的原理系统发育谱（Phylogeneticprofile）基因邻接（Geneneighborhood）基因融合事件（Genefusionevent）镜像树（Mirrotree）突变关联（Corelatedmutations）序列信号关联（Corelatedsequence-signatures）保守的蛋白间相互作用（Interologs）同源结构复合物（Homologousstructuralcomplexs）进化速率关联（Corelatedevolutionary-rate）第20页/共71页系统发育谱（Phylogeneticprofile）这个方法基于如下假定：功能相关的（Functionallyrelated）基因，在一组完全测序的基因组中预期同时存在或不存在，这种存在或不存在的模式（Pattern）被称作系统发育谱；如果两个基因，它们的序列没有同源性，但它们的系统发育谱一致或相似，可以推断它们在功能上是相关的。第21页/共71页基因邻接（Geneneighborhood）这个方法的依据是，在细菌基因组中，功能相关的基因紧密连锁地存在于一个特定区域，构成一个操纵子，这种基因之间的邻接关系，在物种演化过程中具有保守性，可以作为基因产物之间功能关系的指示。这个方法似乎只能适用于进化早期的结构简单的微生物。第22页/共71页基因融合事件（Genefusionevent）这个方法基于如下假定：由于在物种演化过程中发生了基因融合事件，一个物种的两个（或多个）相互作用的蛋白，在另一个物种中融合成为一条多肽链，因而基因融合事件可以作为蛋白质功能相关或相互作用的指示。第23页/共71页镜像树（Mirrotree）这个方法的思想是，功能相关的蛋白质或同一个蛋白的域之间，受功能约束，其进化过程应该保持一致，即呈现共进化（Co-evolution）特征，通过构建和比较它们的系统发育树，如果发现树的拓扑结构显示相似性，这种相似的树被称作镜像树，那么，可以推测建树基因的功能是相关的。第24页/共71页突变关联（Corelatedmutations）物理上相互接触的蛋白质，比如处在同一个结构复合物中的蛋白质，其中一个蛋白质在进化过程中累计的残基变化，通过在另一个蛋白质中发生相应的变化予以补偿，这种现象被称作关联突变，它可以被看作是氨基酸水平的镜像树。第25页/共71页序列信号关联（Corelatedsequence-signatures）这个方法依据统计结果设计。通过检查实验上已经证实的相互作用蛋白质对，发现序列特征信号（sequence-signatures

）在不同对的相互作用蛋白中重复地出现，这一现象被称作序列信号关联。利用序列域信号关联作为相互作用蛋白质的识别指示，可以预测未知功能蛋白与已知蛋白的相互作用，减少直接实验的搜索空间。第26页/共71页保守的蛋白间相互作用（Interologs）

这个方法基于如下原理：相互作用的蛋白质在物种演化过程中具有保守性，因此，可以通过在一个物种中建立的蛋白质相互作用网络，预测其它物种的蛋白质间相互作用。这是后基因组时代产生的一个分子进化概念，使人们联想到直系同源基因Orsologs）和平行同源基因（Paralogs）两个概念。第27页/共71页同源结构复合物（Homologousstructuralcomplexs）这个方法的原理是，设想三维结构已知的蛋白质复合物，各自的同家族成员以同样的方式发生相互作用。第28页/共71页进化速率关联（Corelatedevolutionary-rate）这个方法的原理是，蛋白质的进化速率由这个蛋白质同其它蛋白质发生相互作用的数量决定，并呈负相关，即相互作用的数量越多进化速率越低，而不是通常设想的蛋白质的进化速率由这个蛋白质对机体的重要性决定，这是一个极重要的概念。第29页/共71页蛋白质相互作用分析相关数据库及网站BioGRIDPathBlastHAPPIInterPreTsInterDomStringHPRDIntAct第30页/共71页BioGRID(/)第31页/共71页第32页/共71页第33页/共71页HAPPI(:8340/HAPPI/)第34页/共71页第35页/共71页第36页/共71页第37页/共71页第38页/共71页InterPreTs(/cgi-bin/tools/interprets.pl)第39页/共71页第40页/共71页第41页/共71页第42页/共71页String(/)第43页/共71页第44页/共71页第45页/共71页第46页/共71页第47页/共71页第48页/共71页第4