生物大分子相互作用学习资料

生物大分子相互作用Interactionsbetweenbiologicalmacromolecules李琬生物物理教研室分子生物学馆212liwan@教学大纲掌握：基于基因组信息的、进化信息、结构域、蛋白质结构的蛋白质-蛋白质相互作用预测方法，HPRD，STRING了解：蛋白质-核酸相互作用实验方法，预测方法，物理互作，遗传互作，酵母双杂交技术，免疫共沉淀技术，串联亲和纯化技术，蛋白质芯片技术，基于蛋白质序列的方法蛋白质-核酸相互作用蛋白质-蛋白质相互作用△※蛋白质-核酸相互作用蛋白质-DNADNA复制、mRNA转录、病毒的感染蛋白质-RNAmRNA的转录、剪切、出核、定位、翻译和降解实验方法预测方法实验方法凝胶阻滞实验DNaseI足迹实验DMS(硫酸二甲酯)足迹实验体内足迹试验预测方法机器学习方法Fisher线性判别分析Fisher’slineardiscriminantanalysis(LDA)支持向量机supportvectormachine(SVM)随机森林randomforest(RF)基于序列、序列和结构、实验数据RPI-Pred:predictingncRNA-proteininteractionusingsequenceandstructuralinformationprotein-RNAinterfacedatabasetrainingdataset：来自NDBandPRIDB1807positivepairs(consistingof1807proteinand1078RNAchains)1436negativepairs(with1436proteinand493RNAchains).TestdatasetsFeatureRNASequence：AUGCRNAsecondarystructures（RSS）:stem,hairpin,loop,bulgesandinternalloop3DNAsuite提取RNAfold预测共4*5个ProteinSequence：{A,G,V},{I,L,F,P},{Y,M,T,S},{H,N,Q,W},{R,K},{D,E}and{C}Structure：proteinblocks(PBs)PDB-2-PB提取PB-kPRED预测共7*16个PDB-2-PBhttp://bioinfo.bdu.ac.in/~pb/Classifier：SVMEvaluation：10-foldcross-validationSVM132-featurevector7×16+4×5‘polynomial’kernelfunction/projects/rpi-pred/rpipred1.php蛋白质-蛋白质相互作用（Protein-proteininteraction，PPI）类型研究技术预测方法数据库△※※细胞的许多重要生理或病理活动信号转导跨膜运输细胞代谢肌肉收缩研究蛋白质在不同时间、空间和不同环境中的相互作用了解这些蛋白质的功能，进而了解许多生命活动的分子机制有利于疾病的诊断和病理的研究，对药物筛选也具有重要意义。类型（1）物理互作（2）遗传互作（1）物理互作（physicalinteraction）由于结构上互补或存在相互吸引的作用力，两个蛋白质物理上相互绑定在一起，或多个蛋白质一起形成蛋白质复合体(proteincomplex)，整体上发挥某个功能。蛋白质修饰。（2）遗传互作（geneticinteraction）一个基因(蛋白质)的突变导致另一个基因行为的改变蛋白质功能间的联系，相互作用的蛋白质之间并没有物理上的直接接触。酶促反应中，两个酶可通过连续的化学反应发生间接的相互作用。研究技术（1）酵母双杂交技术（2）免疫共沉淀技术（3）串联亲和纯化技术（4）蛋白质芯片技术（1）酵母双杂交技术

（

Yeasttwo-hybridsystem）基于对酵母转录因子GAL4性质的研究。GAL4结构域DNA结合域（DNAbindingdomain，DNA-BD）识别位于GAL4效应基因上游激活序列并与之结合转录激活域（Activationdomain，AD)通过与转录机构中的其他成分之间的结合作用，以启动下游基因进行转录DNA-BD和AD单独分别作用并不能激活转录反应，但是当二者在空间上充分接近时，则呈现完整的GAL4转录因子活性并可激活下游启动子，使启动子下游基因得到转录。则会启动特异基因序列的转录如果Bait和Prey之间形成蛋白-蛋白复合物，使GAL4两个结构域重新结合AD与Prey融合DNA-BD与Bait融合缺点假阳性结果限于核内表达的蛋白质的相互作用（2）免疫共沉淀技术

（co-immunoprecipitation）

以抗体和抗原之间的专一性作用为基础是确定两种蛋白质在完整细胞内生理性相互作用的有效方法。当细胞在非变性条件下被裂解时，完整细胞内存在的许多蛋白质间的相互作用被保留下来在细胞裂解液中加入感兴趣蛋白的抗体和与抗体特异结合的结合于琼脂糖珠上的ProteinA或G目的蛋白-兴趣蛋白-蛋白抗体-ProteinA或G-琼脂糖珠缺点灵敏性不高假阳性受免疫球蛋白（抗体）的干扰较大（3）串联亲和纯化技术（Tandemafinitypurification，TAP）经过特殊设计的蛋白标签蛋白A、钙调素结合多肽（CBP）和中间连接的烟草病毒（TEV）蛋白酶识别的酶切位点两步连续的亲和层析纯化更接近自然状态的特定蛋白复合物用TEV酶切割分离蛋白A标签，使含有靶蛋白的复合物与层析柱分离，从而使含有标签的复合物纯化。细胞裂解后IgG层析柱蛋白A与免疫球蛋白G（IgG）特异结合加入过量螯合剂后CBP与亲和层析柱分离，使含有靶蛋白的复合体得到分离纯化。钙调素偶联的亲和层析柱靶蛋白上的CBP标签与钙调素结合（4）蛋白质芯片技术（Proteinchip）将蛋白质序列固定于载体上与要检测的目标蛋白质进行相互作用通过一些仪器定量检测其载体上所表现的结果。实验方法既费时又费力检测结果通常存在不同程度的假阳性和假阴性目前拥有的相互作用数据只占全部数据的一小部分，由此构建的相互作用网络也极不完整。优点速度快成本低适用范围广预测方法△※（1）基于基因组信息的方法（2）基于进化信息的方法（3）基于蛋白质序列的方法（4）基于结构域的方法（5）基于蛋白质结构的方法（1）基于基因组信息的方法利用已完成的基因组序列信息对蛋白质相互作用进行预测。基因邻接（GeneNeighborhood）在原核生物基因组中，功能相关的基因承受着相同的选择压力，倾向于在基因组中连在一起，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标识。不同基因组里的蛋白质所对应的基因如果是相邻的，那么这两个蛋白质可能就会发生相互作用并且功能相关。适用于进化早期的结构简单的微生物。基因融合（GeneFusion）两个蛋白质或功能相关的蛋白质在某一个基因组里具有同源性，并且它们能够融合成一个蛋白质，则这两个蛋白质发生相互作用的可能性较大。研究表明基因融合事件在代谢蛋白中尤为普遍。限制只能够预测在进化过程中发生融合的蛋自质之间的功能关联，不能判断发生融合的蛋白是否“物理”上直接接触。（2）基于进化信息的方法系统发育谱一个蛋白质的系统发育谱表达的是其在一系列基因组中的同源性关系如果两个蛋白质的系统发育谱相似，就被认为可能相互作用，具有功能上的相似，同时也具有相同的进化历史。缺点需要多个基因组作为基础系统发育谱的获取需要进行蛋白质序列的多重序列比对不能够完全用于蛋白质相互作用的预测（3）基于蛋白质序列的方法利用序列信息提取蛋白质的特征利用模式识别、机器学习等方法进行预测（4）基于结构域的方法蛋白质间的相互作用是由结构域间的相互作用介导的。如果相互作用的一对结构域分别位于两个蛋白质上，则这两个蛋白质间就存在相互作用。从已知的蛋白质相互作用中预测有哪些结构域间存在相互作用利用预测的结果对待测蛋白质对间的相互作用情况进行判别。同源建模将已知三维结构的蛋白质复合物相互作用的信息应用到与组成该复合物的氨基酸同源的蛋白质间。（5）基于蛋白质结构的方法通过评估同源蛋白家族中已知3D结构的复合物的接触点特征，给出判断用实验的方法进行验证准确率达到了65%计算机模拟分子对接早期小分子之间的对接由于算法和计算机处理能力的限制，较难处理含有大分子的分子对接过程。大分子的分子对接对接方法刚性对接、半柔性对接、柔性对接能量优化人工神经网络、遗传算法、模拟退火、局部搜索MEGADOCK:anall-to-allprotein-proteininteractionpredictionsystemusingtertiarystructuredata计算所有可能对接方式的得分，保留其中2,000xt个最大值的组合(t:numberofdecoysrecordedperrotation)。受体R-----配体L三维空间N*N*N形状互补静电引力根据能量值重新排序这些组合，保留其中能量最低的1000个。将相似结构分为一组，共20个分组。根据元素个数大于阈值的分组中S值的最大值计算亲和得分。其中Z值大于阈值的即为互作对。http://www.bi.cs.titech.ac.jp/megadock/基于二级结构的方法统计计算蛋白复合体相互作用结合区域内不同二级结构及超二级结构出现的频次二级结构α螺旋、β折叠、无规则卷曲超二级结构α拐角、α发夹、β发夹、拱形结构。计算不同结构类型出现在相互作用结合区的相对倾向值对蛋白质对进行打分将打分分值作为特征值输入支持向量机构建模型，进行预测。基于结构特征的方法蛋白质相互作用界面两条以非共价键形式结合的多肽链之间的共同区域，主要由对蛋白质结合起关键作用的、进化速率低于蛋白质表面其他部分的残基所组成。已知界面A与B存在相互作用，而表面区域a，b分别与A，B的结合位点在结构上具有相似性，从而推理a与b也存在相互作用。限制三维结构已知的蛋白质数量的有限性蛋白质互作预测数据库存储预测的PPI。PIPspbio.dundee.ac.uk/www-pips/贝叶斯分类器常用在线预测工具PREPPI/PREPPI/