整合分子生態(tài)學課件

1、第五章 整合分子生態(tài)學生命系統(tǒng)的復雜性蛋白質(zhì)分子的相互作用蛋白質(zhì)和核酸的相互作用基因調(diào)控網(wǎng)絡代謝物組與基因型和表現(xiàn)型的關系信息傳遞網(wǎng)絡1.生命系統(tǒng)的復雜性1.1生物體是個相互作用的系統(tǒng)生命活動中的各種功能和行為不是由單一分子完成的，都是通過體內(nèi)各種分子的相互作用實現(xiàn)的。NetworksBiomodulesDNARNABiological SystemRNADNAProteinsBiomodulesCellsNetworks PatientsDoctorsHealthcare SystemNursesHospitalsInsurance CompaniesGovernment1.2 生命系統(tǒng)復雜

2、性的特征“組分之間有著廣泛的相互作用”，換句話說，生命復雜性的本質(zhì)是由其組成元素之間的關系所決定，而非組成的物質(zhì)本身。系統(tǒng)具有開放性，可以在過程中不斷演化。生命不象簡單的“自穩(wěn)態(tài)”系統(tǒng)那樣，通過負反饋的調(diào)節(jié)控制來穩(wěn)定自身狀態(tài)，從而適應外界的變化。生命是一種遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過不斷地形成新性質(zhì)或新功能來適應外界的挑戰(zhàn)或改變。1.3生命系統(tǒng)復雜性研究的主要技術平臺 生物體是由大量結構和功能不同的元件組成的復雜系統(tǒng)，因此，要建立多層次的組學技術平臺，研究和鑒別生物體內(nèi)所有分子，研究其功能和相互作用。在各種技術平臺產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的基礎上，通過計算生物學用數(shù)學語言定量描述和預測生物學功能和生物體表

3、型和行為。 主要技術平臺有：基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學、相互作用組學和表型組學等 1.3.1 相互作用組學在生命從低級到高級的進化過程中，有可能是蛋白質(zhì)之間的相互作用在起主導作用，越是高級的生命，其相互作用越廣泛。相互作用組學系統(tǒng)地研究各種分子相互作用，包括蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)一核酸、蛋白質(zhì)一代謝物的相互作用和這些作用形成的分子機器、途徑和網(wǎng)絡。相互作用組學研究可用于構建生物系統(tǒng)中的各種途徑和網(wǎng)絡， 鑒別參與網(wǎng)絡和途徑的生物元件，形成系統(tǒng)生物學研究中的模塊，進一步通過模塊的相互作用研究構建完整的生命活動線路圖。1.3.2 表型組學表型組學主要是細胞水平的研究，因為細胞作為生命活動

4、的基本單元具有活生物體的主要性狀，如信息傳導、時空組織、繁殖、體內(nèi)平衡和對環(huán)境變化的應答和適應等，而且可用細胞進行高通量全基因組水平的研究。表型組學是生命系統(tǒng)復雜研究的終端，通過基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學、相互作用組學到表型組學完成了由基因組序列到基本生命活動的全過程。1.4 整合分子生態(tài)學生命系統(tǒng)復雜性研究的核心系統(tǒng)內(nèi)不同性質(zhì)的構成要素（基因、mRNA、蛋白質(zhì)、生物小分子等）的整合從基因到細胞、到組織、到個體的各個層次的整合。 研究思路和方法的整合 需要生命科學、信息科學、數(shù)學、計算機科學等各種學科的共同參與，真正實現(xiàn)這種整合還有很長的路要走蛋白質(zhì)通過分子之間的相互作用實現(xiàn)其特

5、異的生物學功能。如蛋白質(zhì)酶的催化作用需要酶與特異作用物之間的相互識別、結合成中間復合物；抗體參與的防御功能需要抗體與抗原之間的特異識別 與結合等。2.蛋白質(zhì)分子的相互作用2.1 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡系統(tǒng)生物學關注的不是單個基因或蛋白，而是它們的相互關系蛋白質(zhì)的結合位點 一個蛋白質(zhì)分子與其配體之間的結合需要在兩個分子的特定部位之間形成很多弱化學鍵，兩分子間相互作用的部位稱為結合位點。僅僅屬于多肽鏈的一小部分，其余的氨基酸殘基為維持正確的空間位置所必需。蛋白質(zhì)之間相互作用的特異性 由其結合位點決定。兩分子的結合位點必需存在能夠配對形成非共價鍵的基團，而且每對基團在空間上恰好能達到形成非共價鍵的最佳距

6、離。信號傳遞過程中，正是通過蛋白質(zhì)分子之間相互作用的特異性而保證信號傳遞的特異性。2.2 蛋白質(zhì)相互作用位點及其特異性2.3 蛋白質(zhì)分子相互作用的方式2.3.1 分子或亞基的聚合不少蛋白質(zhì)分子或亞基能夠聚合成聚合體。由單體形成二聚體的主要結合力有疏水作用和氫鍵。聚合體的形狀：線性聚合體環(huán)狀聚合體螺旋狀聚合體環(huán)狀聚合體2.3.2 分子雜交對于某些具有四級結構的酶分子，在同工酶的不同純聚體之間，或者在不同種屬來源的同一種酶分子之間，可以發(fā)生亞基交叉聚合，產(chǎn)生有活性的雜交分子。2.3.3 分子識別生物大分子之間，普遍存在著一種專一性結合現(xiàn)象。專一性結合要求在兩種蛋白質(zhì)分子的結合部位之間，其微區(qū)構象要

7、能夠相嵌互補，造成相當大的接觸面積，或經(jīng)過構象達到這一目的；兩個結合部位各有相應的化學基團，相互之間能產(chǎn)生足夠的結合力。2.3.4 分子自我裝配細胞器（如核糖體、細菌鞭毛）、細胞器碎片（如線粒體碎片）以及病素（如煙草花葉病素），在拆散成蛋白質(zhì)、核酸、糖以及其他組分之后，在特定的條件下，又能夠自動地裝配成具有原來生物功能的細胞器、細胞器碎片以及病素。自我裝配的實質(zhì)，就是生物大分子之間的相互識別，相互作用。這是一種特殊的聚合現(xiàn)象。2.3.5多酶復合體有不少的多酶體系,體系中的各種酶彼此有機地結合在一起，精巧地鑲嵌成一定的結構，形成多酶復合體。反應鏈中的各種酶構成了結構化的復合體。這樣，在連續(xù)有序的

8、反應中，能夠縮短每個產(chǎn)物與參加下一步反應的酶之間的距離，使反應能以最高的效率進行。3.蛋白質(zhì)和核酸的整合作用蛋白質(zhì)和核酸的整合作用是整合分子生態(tài)學的關鍵部分.DNA-蛋白質(zhì)相互作用（DNA-protein interaction）3.1 DNA-蛋白質(zhì)相互作用的化學鍵1、氫鍵:具有識別功能蛋白質(zhì)的螺旋結構常與DNA的大溝相互作用。2、疏水鍵：暴露于大溝側(cè)緣的T-CH3基團是疏水性的，可與疏水氨基酸殘基側(cè)鏈相互作用。3、離子鍵：1、序列特異識別的結合能：依賴兩種類型的相互作用。一是多肽鏈與DNA大溝暴露的堿基之間通過氫鍵和范德華力建立的聯(lián)系；二是多肽鏈中的堿性氨基酸與戊糖-磷酸骨架之間 的電荷聯(lián)

9、系。2、序列特異結合的結構基元：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix HTH），鋅指結構（zinc finger motif）3.2 DNA-蛋白質(zhì)相互作用中的序列特異性螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 HTHHTH基元：最初發(fā)現(xiàn)于噬菌體的阻遏蛋白中，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在很多原核及真核DNA結合蛋白中存在。由兩個較短的螺旋與其間含Gly殘基的絞鏈組成。如大腸桿菌的CAP蛋白含一HTH結構域，HTH通過DNA雙螺旋大溝識別、結合反向重復序列TGTG/CACA。鋅指結構首先發(fā)現(xiàn)于非洲爪蟾卵母細胞純化的TFA，它是5SrRNA基因轉(zhuǎn)錄激活因子，結合50bp 5SrRNA編碼基因 的內(nèi)調(diào)控區(qū)。含有9個相同的鋅指結構

10、。核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎,蛋白質(zhì)是生命活動的體現(xiàn)者.DNA 子代DNA 信使RNA 蛋白質(zhì) 復制 轉(zhuǎn)錄 翻譯密碼蛋白質(zhì)生物合成依賴核酸正常功能,核酸生物合成及基因表達的調(diào)節(jié)需要蛋白質(zhì)參與.3.3 蛋白質(zhì)和核酸的整合作用核酸的消化 膳 食 核 蛋 白蛋白質(zhì) 蛋白代謝 核酸DNA、RNA胃 酸單核苷酸磷酸 核苷嘧啶核苷 嘌呤核苷核糖或脫 氧核糖嘧啶堿核糖或脫 氧核糖嘌呤堿胰核酸酶胰、腸核苷酸酶嘌呤核苷酶嘧啶核苷酶中心法則遺傳信息傳遞的規(guī)律(復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯). 轉(zhuǎn)錄 翻譯 DNA RNA 蛋白質(zhì) mRNA tRNA 反轉(zhuǎn)錄 rRNA 轉(zhuǎn)錄、翻譯 RNA（病毒） 蛋白質(zhì)（病毒） 復制復制4.基因調(diào)

11、控網(wǎng)絡基因是如何通過相互影響包括從幾個基因的調(diào)控通路直到涵蓋全基因組的基因網(wǎng)絡而產(chǎn)生一個生物體復雜的表型的?；蛑g相互作用，它們的表達也互相影響，一個基因的表達，會隨之促進或抑制另一個基因的表達某些基因存在共表達的現(xiàn)象，基因之間的相互促進或抑制，構成一個復雜的調(diào)控關系網(wǎng)絡。4.1 從基因到系統(tǒng)“Systems biology is an approach to studying complex biological systems made possible through technological breakthroughs such as the human genome projec

12、t. systems biology simultaneously studies the complex interaction of many levels of biological information to understand how they work together.”4.2 基 因 調(diào) 控 網(wǎng) 絡代謝物是細胞調(diào)控的終產(chǎn)物，而它們的水平可看作是生物系統(tǒng)對基因變化或環(huán)境變化的最終應答。生物表型在分子水平上表現(xiàn)為基因產(chǎn)物（mRNA，蛋白質(zhì)和代謝物)的共同調(diào)控。對表型的了解依賴于所觀察到的有機體的特征，但最終取決于所觀察到的代謝物水平， 所以代謝物組學是精確聯(lián)系基因功能和表型的重

13、要紐帶。5.代謝物組與基因型和表現(xiàn)型之間的關系代謝物組與基因型和表現(xiàn)型關系的研究方法 正向遺傳學，即根據(jù)表型變化(如表型正常與異常，健康與疾病)測定代謝物水平的變化，從而推斷基因型的變化。例如自發(fā)突變體、基因突變株或有用表型的雙向增長被用來鑒定和特征化感興趣基因；功能基因組學需要使用代謝物組數(shù)據(jù)來分析孤獨基因(orphan genes)的功能，基因型的改變導致在許多方面出現(xiàn)不同的代謝物譜圖，通過對代謝物進行多變量分析及對大量代謝物進行同時篩選，鑒定孤獨基因的功能。反求遺傳學，分析一個克隆基因或離體蛋白質(zhì)，其研究指向表型。盡管在表型上難以觀察到明顯的變化，但基因已經(jīng)發(fā)生修飾和改變，這樣只有通過檢

14、測基因改變導致的代謝物水平的變化來評估。比如經(jīng)基因修飾的農(nóng)作物的種植和生產(chǎn)對于其安全性的評估，集中于基因修飾加工的特征、新表達的化合物的特征和新作物成分的可能改變。由于基因的修飾加工導致代謝途徑發(fā)生了變化。代謝物組與基因型和表現(xiàn)型關系的研究方法 6. 信息傳遞網(wǎng)絡6.1信息傳遞的途徑跨膜信號轉(zhuǎn)導膜受體介導的信息傳遞cAMP-蛋白激酶A(PKA)途徑Ca2+-依賴性蛋白激酶途徑cGMP-蛋白激酶途徑酪氨酸蛋白激酶途徑核因子B途徑胞內(nèi)受體介導的信息傳遞6.1.1 跨膜信號轉(zhuǎn)導(transmembrane tranduction)外界信號 細胞膜表面 一種或幾種膜蛋白分子構象改變 胞內(nèi)信號分子變化

15、引起相應的效應 細胞跨膜信號轉(zhuǎn)導的方式G蛋白耦聯(lián)受體介導信號轉(zhuǎn)導酶耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導離子通道介導的信號轉(zhuǎn)導6.1.2 膜受體的信號轉(zhuǎn)導機制 第二信使學說Sutherland 第二信使: cAMP, cGMP, IP3, DAG, Ca2+ 激素（第一信使）激素-膜受體復合物Gs或Gi蛋白第二信使生成生物學效應6.1.3 胞內(nèi)受體介導的信息傳遞類固醇激素受體復合物作為轉(zhuǎn)錄因子與DNA特異基因的激素反應元件結合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄甲狀腺素受體復合物與DNA上的甲狀腺素反應元件結合，調(diào)節(jié)表達6.2 光敏色素的信號轉(zhuǎn)導 6.2.1 光敏色素信號轉(zhuǎn)導的一般過程感受到光后，光敏色素發(fā)生構象變化，轉(zhuǎn)移入核 與一系

16、列的轉(zhuǎn)錄因子相互作用激活下游的靶基因 產(chǎn)生光形態(tài)建成表型，影響細胞或發(fā)育過程6.2.2 光敏色素在幼苗的光形態(tài)建成中的信號轉(zhuǎn)導過程發(fā)生在核內(nèi)的事件 核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的直接激活：PIF3 光誘導光敏色素由Pr構象轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr構象后進入核內(nèi)，與核內(nèi)的PIF3結合，PIF3與含有G-box的啟動子相互作用，誘導下游初級靶基因的轉(zhuǎn)錄核內(nèi)抑制因子的失活：COP1 在黑暗中，COP1在核內(nèi)直接與HY5相互作用，使HY5易于泛素化，進而靶向蛋白酶體調(diào)節(jié)的降解途徑；在光下，COP1在核內(nèi)的豐度降低，降低了HY5蛋白在核內(nèi)的降解速率，使HY5聚集，作為正調(diào)節(jié)子調(diào)節(jié)光形態(tài)建成6.2.3 信號轉(zhuǎn)導的過程核內(nèi)信號轉(zhuǎn)導事件模式圖發(fā)生在細胞質(zhì)中的事件G蛋白、鈣結合蛋白和離子流 生化和藥理學研究顯示：G蛋白、cGMP和Ca2+ /鈣調(diào)蛋白在控制光敏色素依賴