蛋白質(zhì)相互作用生

1、蛋白質(zhì)是生命功能的執(zhí)行者，也是生命現(xiàn)象的直蛋白質(zhì)是生命功能的執(zhí)行者，也是生命現(xiàn)象的直接體現(xiàn)者，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究將直接闡接體現(xiàn)者，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究將直接闡明生命在生理或病理情況下的變化機(jī)制，而蛋白明生命在生理或病理情況下的變化機(jī)制，而蛋白質(zhì)功能的實現(xiàn)離不開蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)與質(zhì)功能的實現(xiàn)離不開蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)與其他生物大分子之間的相互作用。蛋白質(zhì)的相互其他生物大分子之間的相互作用。蛋白質(zhì)的相互作用以細(xì)胞結(jié)構(gòu)，生化活性和能動行為為基礎(chǔ)。作用以細(xì)胞結(jié)構(gòu)，生化活性和能動行為為基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)間的相互作用是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，蛋白質(zhì)間的相互作用是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，細(xì)胞進(jìn)行生命活動過程是蛋

2、白質(zhì)在一定時細(xì)胞進(jìn)行生命活動過程是蛋白質(zhì)在一定時空下的相互作用?？障碌南嗷プ饔?。相互作用的蛋白質(zhì)的含義為：參與同一個代謝途徑相互作用的蛋白質(zhì)的含義為：參與同一個代謝途徑（Metabolic pathway）或生物學(xué)過程（）或生物學(xué)過程（Biological process）；屬于同一個結(jié)構(gòu)復(fù)合物（）；屬于同一個結(jié)構(gòu)復(fù)合物（Structural complex）或分子機(jī)制（）或分子機(jī)制（Molecular machine）的元件。）的元件。它們之間可以發(fā)生它們之間可以發(fā)生“物理物理”上的接觸，也可以不接觸，而上的接觸，也可以不接觸，而僅是遺傳上關(guān)聯(lián)。研究蛋白質(zhì)間相互作用的最終目標(biāo)是建僅是遺傳上關(guān)

3、聯(lián)。研究蛋白質(zhì)間相互作用的最終目標(biāo)是建立模式細(xì)胞系統(tǒng)中全部蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡(luò)，即蛋白質(zhì)立模式細(xì)胞系統(tǒng)中全部蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡(luò)，即蛋白質(zhì)相互作用組（相互作用組（Interactome），這將為研究蛋白質(zhì)的其），這將為研究蛋白質(zhì)的其它功能及細(xì)胞的全局特征構(gòu)筑一個框架。由于蛋白質(zhì)相互它功能及細(xì)胞的全局特征構(gòu)筑一個框架。由于蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的破壞和失穩(wěn)，可能引發(fā)細(xì)胞功能障礙，因此，作用網(wǎng)絡(luò)的破壞和失穩(wěn)，可能引發(fā)細(xì)胞功能障礙，因此，蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的建立有助于發(fā)展網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型，尋蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的建立有助于發(fā)展網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型，尋找合適的藥物作用靶點，將為新藥開發(fā)提供理論依據(jù)。找合適的藥物作用靶點

4、，將為新藥開發(fā)提供理論依據(jù)。蛋白質(zhì)間相互作用研究的實驗技術(shù)蛋白質(zhì)間相互作用研究的實驗技術(shù)近年來用于蛋白質(zhì)間相互作用研究的分析技術(shù)： 酵母雙雜交系統(tǒng)、 熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)、 表面等離子體共振技術(shù)、 蛋白質(zhì)芯片技術(shù)、酵母雙雜交系統(tǒng)酵母雙雜交系統(tǒng)酵母雙雜交系統(tǒng)（酵母雙雜交系統(tǒng)（ Yeast two-hybrid system）由）由Fields和和Song （Natrue ，1989 年）首創(chuàng)，是建立在年）首創(chuàng)，是建立在對真核轉(zhuǎn)錄激活因子認(rèn)識的基礎(chǔ)上。真核轉(zhuǎn)錄激活因子包對真核轉(zhuǎn)錄激活因子認(rèn)識的基礎(chǔ)上。真核轉(zhuǎn)錄激活因子包括兩個功能結(jié)構(gòu)域：一個是與括兩個功能結(jié)構(gòu)域：一個是與 上游激活序列上游激活序列（

5、 Upstream activating sequence，UAS ）結(jié)合的）結(jié)合的DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域（結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA-binding domain ，BD ）；另）；另一個是一個是DNA激活結(jié)構(gòu)域（激活結(jié)構(gòu)域（DNA Activation domain ，AD ）。）。將目的蛋白的基因轉(zhuǎn)入帶有將目的蛋白的基因轉(zhuǎn)入帶有BD 結(jié)構(gòu)域的質(zhì)粒載體中，并結(jié)構(gòu)域的質(zhì)粒載體中，并把其轉(zhuǎn)入酵母細(xì)胞中表達(dá)一個融合蛋白把其轉(zhuǎn)入酵母細(xì)胞中表達(dá)一個融合蛋白誘餌蛋白誘餌蛋白（Bait ）；把要篩選的）；把要篩選的 cDNA文庫中所有基因片段克隆文庫中所有基因片段克隆至帶有至帶有 AD結(jié)構(gòu)域的另一質(zhì)粒載體中，表達(dá)另

6、一個雜交蛋結(jié)構(gòu)域的另一質(zhì)粒載體中，表達(dá)另一個雜交蛋白白靶蛋白（靶蛋白（ Prey ）。然后共轉(zhuǎn)化酵母菌或是通過兩個）。然后共轉(zhuǎn)化酵母菌或是通過兩個單倍體酵母菌融合，在選擇性缺陷培養(yǎng)基上篩選，通過對單倍體酵母菌融合，在選擇性缺陷培養(yǎng)基上篩選，通過對報告基因表型的鑒定來確定兩個蛋白是否存在相互作用。報告基因表型的鑒定來確定兩個蛋白是否存在相互作用。熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（Fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET ）理論由 Forster于1984 年提出，是指兩個熒光發(fā)色基團(tuán)在足夠靠近時，若供體分子吸收一定頻率的光子后

7、被激發(fā)到更高的電子能態(tài)，當(dāng)該電子回到基態(tài)時，可通過偶極子相互作用，實現(xiàn)能量向鄰近的受體分子轉(zhuǎn)移，即發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移。FRET技術(shù)能夠定時、定量、定位、無損傷地檢測活細(xì)胞內(nèi)兩個蛋白技術(shù)能夠定時、定量、定位、無損傷地檢測活細(xì)胞內(nèi)兩個蛋白質(zhì)間的相互作用，但細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的生命活動常常是通過兩個以上分子質(zhì)間的相互作用，但細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的生命活動常常是通過兩個以上分子之間相互作用實現(xiàn)的，如何檢測這種多分子間的動態(tài)作用機(jī)制是當(dāng)今之間相互作用實現(xiàn)的，如何檢測這種多分子間的動態(tài)作用機(jī)制是當(dāng)今分子生物學(xué)研究面臨的一個難題。為滿足這種需求，研究人員提出了分子生物學(xué)研究面臨的一個難題。為滿足這種需求，研究人員提出了一種三色

8、熒光的二步級聯(lián)一種三色熒光的二步級聯(lián)FRET （2-step FRET ）技術(shù)，作為一種新）技術(shù)，作為一種新興技術(shù)，它能檢測活細(xì)胞內(nèi)興技術(shù)，它能檢測活細(xì)胞內(nèi)3 個生物分子間的相互作。個生物分子間的相互作。表面等離子體共振技術(shù)表面等離子體共振技術(shù)表面等離子體共振（表面等離子體共振（Surface plasmon resonance ，SPR）技術(shù)是瑞典）技術(shù)是瑞典Phamacia 公司在公司在20 世紀(jì)世紀(jì) 90 年代開年代開發(fā)的生物傳感技術(shù)，其基本原理是，當(dāng)一束平面單色偏振發(fā)的生物傳感技術(shù)，其基本原理是，當(dāng)一束平面單色偏振光以一定角度入射到鍍有薄層金膜的玻璃表面發(fā)生全反射光以一定角度入射到鍍有

9、薄層金膜的玻璃表面發(fā)生全反射時，如入射光的波向量與金膜內(nèi)表面電子的振蕩頻率匹配，時，如入射光的波向量與金膜內(nèi)表面電子的振蕩頻率匹配，光線則耦合入金膜引發(fā)電子共振，即表面等離子體共振，光線則耦合入金膜引發(fā)電子共振，即表面等離子體共振，其中電子吸收入射光線能量后達(dá)到最小反射光強(qiáng)度時所對其中電子吸收入射光線能量后達(dá)到最小反射光強(qiáng)度時所對應(yīng)的入射光角度被稱為應(yīng)的入射光角度被稱為SPR 角。角。將探針或配體固定于傳感器芯片的金膜表面，當(dāng)含分析物的液體流過傳感片表面，分子間發(fā)生特異性結(jié)合時，可引起傳感片表面折射率的改變，從而通過檢測SPR 角的信號改變，測定分子間的相互作用。蛋白質(zhì)芯片技術(shù)蛋白質(zhì)芯片技術(shù)蛋

10、白質(zhì)芯片（蛋白質(zhì)芯片（ Protein chip）技術(shù)是近年來在生命科學(xué)）技術(shù)是近年來在生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其基本原理是，將領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其基本原理是，將各種蛋白質(zhì)有序地固定于滴定板、濾膜或載玻片等各種載各種蛋白質(zhì)有序地固定于滴定板、濾膜或載玻片等各種載體上作為檢測用的芯片，然后，用標(biāo)記了特定熒光的蛋白體上作為檢測用的芯片，然后，用標(biāo)記了特定熒光的蛋白質(zhì)或其他成分與芯片作用，將未能與芯片上蛋白質(zhì)互補(bǔ)結(jié)質(zhì)或其他成分與芯片作用，將未能與芯片上蛋白質(zhì)互補(bǔ)結(jié)合的成分洗去，再利用熒光掃描儀或激光共聚焦掃描技術(shù)，合的成分洗去，再利用熒光掃描儀或激光共聚焦掃描技術(shù)，

11、測定芯片上各點的熒光強(qiáng)度，通過熒光強(qiáng)度分析蛋白質(zhì)間測定芯片上各點的熒光強(qiáng)度，通過熒光強(qiáng)度分析蛋白質(zhì)間的相互作用，最終達(dá)到測定各種蛋白質(zhì)功能的目的。的相互作用，最終達(dá)到測定各種蛋白質(zhì)功能的目的。研究蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡(luò)是理解細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡(luò)是理解細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能，是理解生命新陳代謝以及疾病發(fā)生的基及功能，是理解生命新陳代謝以及疾病發(fā)生的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；礎(chǔ)和關(guān)鍵；在蛋白質(zhì)組研究領(lǐng)域，利用高通量的在蛋白質(zhì)組研究領(lǐng)域，利用高通量的實驗方法來鑒定和分類蛋白質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)的蛋白區(qū)實驗方法來鑒定和分類蛋白質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)的蛋白區(qū)域和蛋白質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生了很多的生物信息域和蛋白質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生了很

12、多的生物信息記錄，這就需要有一些標(biāo)準(zhǔn)且特異的數(shù)據(jù)庫來描記錄，這就需要有一些標(biāo)準(zhǔn)且特異的數(shù)據(jù)庫來描述和儲存這些相互作用的信息，其結(jié)果導(dǎo)致了大述和儲存這些相互作用的信息，其結(jié)果導(dǎo)致了大量的蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫的發(fā)展。量的蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫的發(fā)展。生物信息學(xué)方法生物信息學(xué)方法生物信息學(xué)（生物信息學(xué)（Bioinformatics ）是在生命科學(xué)、）是在生命科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上逐步計算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而形成的一門新興交叉學(xué)科，發(fā)展而形成的一門新興交叉學(xué)科，是以理解各種是以理解各種數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義為目的、運用數(shù)學(xué)與計算機(jī)科數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義為目的、運用數(shù)學(xué)

13、與計算機(jī)科學(xué)手段進(jìn)行生物信息的收集、加工、存儲、傳播、學(xué)手段進(jìn)行生物信息的收集、加工、存儲、傳播、分析與解析的科學(xué)分析與解析的科學(xué)。在后基因組時代，生物信息學(xué)的研究內(nèi)容已經(jīng)從在后基因組時代，生物信息學(xué)的研究內(nèi)容已經(jīng)從對基因組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的高效分析轉(zhuǎn)移到比較對基因組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的高效分析轉(zhuǎn)移到比較基因組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)分析、基因表達(dá)譜網(wǎng)絡(luò)分析、基因組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)分析、基因表達(dá)譜網(wǎng)絡(luò)分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析以及藥物靶點篩選等方面，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析以及藥物靶點篩選等方面，分別與功能基因組、蛋白質(zhì)組、結(jié)構(gòu)基因組等研分別與功能基因組、蛋白質(zhì)組、結(jié)構(gòu)基因組等研究領(lǐng)域互相配合、緊密相關(guān)，成為目前極其熱

14、門究領(lǐng)域互相配合、緊密相關(guān)，成為目前極其熱門的的系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要基石。研究的重要基石。生物信息學(xué)方法大都是基于從已知數(shù)據(jù)庫來分析比較未知生物信息學(xué)方法大都是基于從已知數(shù)據(jù)庫來分析比較未知蛋白的功能及其相互作用蛋白。蛋白的功能及其相互作用蛋白。生物信息學(xué)分析無需具體的實驗操作，往往是在整個基因生物信息學(xué)分析無需具體的實驗操作，往往是在整個基因組規(guī)模上進(jìn)行研究，可獲得較大的信息量。組規(guī)模上進(jìn)行研究，可獲得較大的信息量。根據(jù)蛋白晶體結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，也可推測蛋白間可能的相互根據(jù)蛋白晶體結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，也可推測蛋白間可能的相互作用，但遺憾的是，這些方法以結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為前提，若數(shù)據(jù)作用，但遺憾的是，

15、這些方法以結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為前提，若數(shù)據(jù)庫中沒有可供分析的數(shù)據(jù)則無法比較。庫中沒有可供分析的數(shù)據(jù)則無法比較。目前大規(guī)模研究產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均未達(dá)到飽和，需要目前大規(guī)模研究產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均未達(dá)到飽和，需要整合所有的研究數(shù)據(jù)而不是分析單一的實驗結(jié)果，整合所有的研究數(shù)據(jù)而不是分析單一的實驗結(jié)果，才能得到更加清晰、有用的生物學(xué)信息。才能得到更加清晰、有用的生物學(xué)信息。值得一提的是值得一提的是，在細(xì)胞中有些蛋白質(zhì)的相互作用，在細(xì)胞中有些蛋白質(zhì)的相互作用是瞬時的、不穩(wěn)定的，以實驗為基礎(chǔ)的研究方法是瞬時的、不穩(wěn)定的，以實驗為基礎(chǔ)的研究方法很難捕捉到這種相互作用，而基于生物信息學(xué)的很難捕捉到這種相互作用，而基于生物信息學(xué)的分析

16、則能彌補(bǔ)這一不足。分析則能彌補(bǔ)這一不足。生物信息學(xué)方法預(yù)測蛋白質(zhì)相互作生物信息學(xué)方法預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用的原理用的原理系統(tǒng)發(fā)育譜（Phylogenetic profile）基因鄰接（Gene neighborhood）基因融合事件（Gene fusion event）鏡像樹（Mirrotree）突變關(guān)聯(lián)（Corelated mutations ）序列信號關(guān)聯(lián)（ Corelated sequence-signatures ）保守的蛋白間相互作用（Interologs）同源結(jié)構(gòu)復(fù)合物（Homologous structural complexs）進(jìn)化速率關(guān)聯(lián)（ Corelated evolution

17、ary-rate ）系統(tǒng)發(fā)育譜（系統(tǒng)發(fā)育譜（Phylogenetic profile）這個方法基于如下假定：功能相關(guān)的（Functionally related）基因，在一組完全測序的基因組中預(yù)期同時存在或不存在，這種存在或不存在的模式（Pattern）被稱作系統(tǒng)發(fā)育譜；如果兩個基因，它們的序列沒有同源性，但它們的系統(tǒng)發(fā)育譜一致或相似，可以推斷它們在功能上是相關(guān)的。基因鄰接（基因鄰接（Gene neighborhood）這個方法的依據(jù)是，在細(xì)菌基因組中，功能相關(guān)這個方法的依據(jù)是，在細(xì)菌基因組中，功能相關(guān)的基因緊密連鎖地存在于一個特定區(qū)域，構(gòu)成一的基因緊密連鎖地存在于一個特定區(qū)域，構(gòu)成一個操縱子

18、，這種基因之間的鄰接關(guān)系，在物種演個操縱子，這種基因之間的鄰接關(guān)系，在物種演化過程中具有保守性，可以作為基因產(chǎn)物之間功化過程中具有保守性，可以作為基因產(chǎn)物之間功能關(guān)系的指示。這個方法似乎只能適用于進(jìn)化早能關(guān)系的指示。這個方法似乎只能適用于進(jìn)化早期的結(jié)構(gòu)簡單的微生物。期的結(jié)構(gòu)簡單的微生物?；蛉诤鲜录ɑ蛉诤鲜录℅ene fusion event）這個方法基于如下假定：由于在物種演化過程中這個方法基于如下假定：由于在物種演化過程中發(fā)生了基因融合事件，一個物種的兩個（或多個）發(fā)生了基因融合事件，一個物種的兩個（或多個）相互作用的蛋白，在另一個物種中融合成為一條相互作用的蛋白，在另一個物種中融合

19、成為一條多肽鏈，因而基因融合事件可以作為蛋白質(zhì)功能多肽鏈，因而基因融合事件可以作為蛋白質(zhì)功能相關(guān)或相互作用的指示。相關(guān)或相互作用的指示。鏡像樹（鏡像樹（Mirrotree）這個方法的思想是，功能相關(guān)的蛋白質(zhì)或同一個蛋白的域之間，受功能約束，其進(jìn)化過程應(yīng)該保持一致，即呈現(xiàn)共進(jìn)化（Co-evolution）特征，通過構(gòu)建和比較它們的系統(tǒng)發(fā)育樹，如果發(fā)現(xiàn)樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示相似性，這種相似的樹被稱作鏡像樹，那么，可以推測建樹基因的功能是相關(guān)的。突變關(guān)聯(lián)（Corelated mutations ）物理上相互接觸的蛋白質(zhì)，比如處在同一個結(jié)構(gòu)物理上相互接觸的蛋白質(zhì)，比如處在同一個結(jié)構(gòu)復(fù)合物中的蛋白質(zhì)，其中一個

20、蛋白質(zhì)在進(jìn)化過程復(fù)合物中的蛋白質(zhì)，其中一個蛋白質(zhì)在進(jìn)化過程中累計的殘基變化，通過在另一個蛋白質(zhì)中發(fā)生中累計的殘基變化，通過在另一個蛋白質(zhì)中發(fā)生相應(yīng)的變化予以補(bǔ)償，這種現(xiàn)象被稱作關(guān)聯(lián)突變，相應(yīng)的變化予以補(bǔ)償，這種現(xiàn)象被稱作關(guān)聯(lián)突變，它可以被看作是氨基酸水平的鏡像樹。它可以被看作是氨基酸水平的鏡像樹。序列信號關(guān)聯(lián)（ Corelated sequence-signatures ）這個方法依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果設(shè)計。通過檢查實驗上已這個方法依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果設(shè)計。通過檢查實驗上已經(jīng)證實的相互作用蛋白質(zhì)對，發(fā)現(xiàn)序列特征信號經(jīng)證實的相互作用蛋白質(zhì)對，發(fā)現(xiàn)序列特征信號（ sequence-signatures ）在不同對的相互作）在不同對的相互作用蛋白中重復(fù)地出現(xiàn)，這一現(xiàn)象被稱作序列信號用蛋白中重復(fù)地出現(xiàn)，這一現(xiàn)象被稱作序列信號關(guān)聯(lián)。利用序列域信號關(guān)聯(lián)作為相互作用蛋白質(zhì)關(guān)聯(lián)。利用序列域信號關(guān)聯(lián)作為相互作用蛋白質(zhì)的識別指示，可以預(yù)測未知功能蛋白與已知蛋白的識別指示，可以預(yù)測未知功能蛋白與已知蛋白的相互作用，減少直接實驗的搜索空間。的相互作用，減少直接實驗的搜索空間。保守的蛋白間相互作用（保守的蛋白間相互作用（Interologs）這個方法基于如下原理：相互作用的蛋白質(zhì)在物這個方法基于如下原理：相互作用的蛋