研究生講座-蛋白質(zhì)相互作用

蛋白質(zhì)相互作用生物信息學(xué)分析及預(yù)測生物信息學(xué)教研室生物芯片中心趙雨杰21世紀(jì)初生命科學(xué)的重大分支學(xué)科和開展趨勢80年代有遠(yuǎn)見的生物學(xué)家把分子生物學(xué)〔包括分子遺傳學(xué)〕、細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)與生態(tài)學(xué)列為當(dāng)前生物科學(xué)的四大根底學(xué)科，無疑是正確地反映了現(xiàn)代生命科學(xué)的總趨勢。遺傳學(xué)〔主要是分子遺傳學(xué)〕不僅當(dāng)前是生物科學(xué)的帶頭學(xué)科，在今后多年還將保持其在生命科學(xué)中的核心作用。分子生物學(xué)分子生物學(xué)是研究組成生物本身的重要物質(zhì)：核酸、蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)和功能、合成和代謝、表達(dá)和調(diào)控以及它們之間的相互作用，以此來揭示生命的本質(zhì)，是生命科學(xué)研究的前沿和核心。研究蛋白質(zhì)的相互作用是研究生課題研究的重要內(nèi)容之一。研究蛋白相互作用的意義蛋白質(zhì)是生命功能的執(zhí)行者，也是生命現(xiàn)象的直接表達(dá)者，對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究將直接說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(shí)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)的相互作用以細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生化活性和能動(dòng)行為為根底。蛋白質(zhì)間的相互作用是實(shí)現(xiàn)功能的根底，細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)過程是蛋白質(zhì)在一定時(shí)空下的相互作用的結(jié)果。相互作用的蛋白質(zhì)的含義：參與同一個(gè)代謝途徑〔Metabolicpathway〕或生物學(xué)過程〔Biologicalprocess〕；屬于同一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)合物〔Structuralcomplex〕或分子機(jī)制〔Molecularmachine〕的元件。它們之間可以發(fā)生“物理〞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)：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)相互作用組〔Interactome〕，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(gè)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，蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的建立有助于開展網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型，尋找適宜的藥物作用靶點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)技術(shù)近年來用于蛋白質(zhì)間相互作用研究的先進(jìn)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)、外表等離子體共振技術(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)〔Yeasttwo-hybridsystem〕由Fields和Song〔Natrue，1989年〕首創(chuàng)，是建立在對(duì)真核轉(zhuǎn)錄激活因子認(rèn)識(shí)的根底上。真核轉(zhuǎn)錄激活因子包括兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：一個(gè)是與上游激活序列〔Upstreamactivatingsequence，UAS〕結(jié)合的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域〔DNA-bindingdomain，BD〕；另一個(gè)是DNA激活結(jié)構(gòu)域〔DNAActivationdomain，AD〕。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，并把其轉(zhuǎn)入酵母細(xì)胞中表達(dá)一個(gè)融合蛋白—誘餌蛋白〔Bait〕；把要篩選的cDNA文庫中所有基因片段克隆至帶有AD結(jié)構(gòu)域的另一質(zhì)粒載體中，表達(dá)另一個(gè)雜交蛋白—靶蛋白〔Prey〕。然后共轉(zhuǎn)化酵母菌或是通過兩個(gè)單倍體酵母菌融合，在選擇性缺陷培養(yǎng)基上篩選，通過對(duì)報(bào)告基因表型的鑒定來確定兩個(gè)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〔Fluorescenceresonanceenergytransfer，F(xiàn)RET〕理論由Forster于1984年提出，是指兩個(gè)熒光發(fā)色基團(tuán)在足夠靠近時(shí)，假設(shè)供體分子吸收一定頻率的光子后被激發(fā)到更高的電子能態(tài)，當(dāng)該電子回到基態(tài)時(shí)，可通過偶極子相互作用，實(shí)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(shí)、定量、定位、無損傷地檢測活細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)蛋白質(zhì)間的相互作用，但細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的生命活動(dòng)常常是通過兩個(gè)以上分子之間相互作用實(shí)現(xiàn)的，如何檢測這種多分子間的動(dòng)態(tài)作用機(jī)制是當(dāng)今分子生物學(xué)研究面臨的一個(gè)難題。為滿足這種需求，研究人員提出了一種三色熒光的二步級(jí)聯(lián)FRET〔2-stepFRET〕技術(shù)，作為一種新興技術(shù)，它能檢測活細(xì)胞內(nèi)3個(gè)生物分子間的相互作。外表等離子體共振技術(shù)外表等離子體共振〔Surfaceplasmonresonance，SPR〕技術(shù)是瑞典Phamacia公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)的生物傳感技術(shù)，其根本原理是，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外表發(fā)生全反射時(shí)，如入射光的波向量與金膜內(nèi)外表電子的振蕩頻率匹配，光線那么耦合入金膜引發(fā)電子共振，即外表等離子體共振，其中電子吸收入射光線能量后到達(dá)最小反射光強(qiáng)度時(shí)所對(duì)應(yīng)的入射光角度被稱為SPR角。將探針或配體固定于傳感器芯片的金膜外表，當(dāng)含分析物的液體流過傳感片外表，分子間發(fā)生特異性結(jié)合時(shí)，可引起傳感片外表折射率的改變，從而通過檢測SPR角的信號(hào)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〔Proteinchip〕技術(shù)是近年來在生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速開展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其根本原理是，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)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)，測定芯片上各點(diǎn)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，最終到達(dá)測定各種蛋白質(zhì)功能的目的。生物信息學(xué)方法生物信息學(xué)〔Bioinformatics〕是在生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)的根底上逐步開展而形成的一門新興交叉學(xué)科，是以理解各種數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義為目的、運(yùn)用數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)手段進(jìn)行生物信息的收集、加工、存儲(chǔ)、傳播、分析與解析的科學(xué)。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)生的根底和關(guān)鍵；在蛋白質(zhì)組研究領(lǐng)域，利用高通量的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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)庫的開展。生物信息學(xué)在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究中起著特殊的重要作用，因?yàn)榛蚪M學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究所提供的數(shù)據(jù)數(shù)量之巨大在生物學(xué)史上是史無前例的，且蛋白質(zhì)組學(xué)比基因組學(xué)更具復(fù)雜性，因而蛋白質(zhì)組信息學(xué)的開展與應(yīng)用面臨著更多挑戰(zhàn)。在后基因組時(shí)代，生物信息學(xué)的研究內(nèi)容已經(jīng)從對(duì)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、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析以及藥物靶點(diǎn)篩選等方面，分別與功能基因組、蛋白質(zhì)組、結(jié)構(gòu)基因組等研究領(lǐng)域互相配合、緊密相關(guān)，成為目前極其熱門的系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要基石。生物信息學(xué)方法大都是基于從數(shù)據(jù)庫來分析比較未知蛋白的功能及其相互作用蛋白。生物信息學(xué)分析無需具體的實(shí)驗(yàn)操作，往往是在整個(gè)基因組規(guī)模上進(jìn)行研究，可獲得較大的信息量。另外，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，假設(shè)數(shù)據(jù)庫中沒有可供分析的數(shù)據(jù)那么無法比較。目前大規(guī)模研究產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均未到達(dá)飽和，需要整合所有的研究數(shù)據(jù)而不是分析單一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，才能得到更加清晰、有用的生物學(xué)信息。值得一提的是，在細(xì)胞中有些蛋白質(zhì)的相互作用是瞬時(shí)的、不穩(wěn)定的，以實(shí)驗(yàn)為根底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)的分析那么能彌補(bǔ)這一缺乏。生物信息學(xué)方法預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用的原理系統(tǒng)發(fā)育譜〔Phylogeneticprofile〕基因鄰接〔Geneneighborhood〕基因融合事件〔Genefusionevent〕鏡像樹〔Mirrotree〕突變關(guān)聯(lián)〔Corelatedmutations〕序列信號(hào)關(guān)聯(lián)〔Corelatedsequence-signatures〕保守的蛋白間相互作用〔Interologs〕同源結(jié)構(gòu)復(fù)合物〔Homologousstructuralcomplexs〕進(jìn)化速率關(guān)聯(lián)〔Corelatedevolutionary-rate〕系統(tǒng)發(fā)育譜〔Phylogeneticprofile〕這個(gè)方法基于如下假定：功能相關(guān)的〔Functionallyrelated〕基因，在一組完全測序的基因組中預(yù)期同時(shí)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(gè)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?；蜞徑印睪eneneighborhood〕這個(gè)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(gè)特定區(qū)域，構(gòu)成一個(gè)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)物之間功能關(guān)系的指示。這個(gè)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?；蛉诤鲜录睪enefusionevent〕這個(gè)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(gè)物種的兩個(gè)〔或多個(gè)〕相互作用的蛋白，在另一個(gè)物種中融合成為一條多肽鏈，因而基因融合事件可以作為蛋白質(zhì)功能相關(guān)或相互作用的指示。鏡像樹〔Mirrotree〕這個(gè)方法的思想是，功能相關(guān)的蛋白質(zhì)或同一個(gè)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)〔Corelatedmutations〕物理上相互接觸的蛋白質(zhì)，比方處在同一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)合物中的蛋白質(zhì)，其中一個(gè)蛋白質(zhì)在進(jìn)化過程中累計(jì)的殘基變化，通過在另一個(gè)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，它可以被看作是氨基酸水平的鏡像樹。序列信號(hào)關(guān)聯(lián)〔Corelatedsequence-signatures〕這個(gè)方法依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)。通過檢查實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)的相互作用蛋白質(zhì)對(duì)，發(fā)現(xiàn)序列特征信號(hào)〔sequence-signatures〕在不同對(duì)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(hào)關(guān)聯(lián)。利用序列域信號(hào)關(guān)聯(lián)作為相互作用蛋白質(zhì)的識(shí)別指示，可以預(yù)測未知功能蛋白與蛋白的相互作用，減少直接實(shí)驗(yàn)的搜索空間。保守的蛋白間相互作用〔Interologs〕

這個(gè)方法基于如下原理：相互作用的蛋白質(zhì)在物種演化過程中具有保守性，因此，可以通過在一個(gè)物種中建立的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測其它物種的蛋白質(zhì)間相互作用。這是后基因組時(shí)代產(chǎn)生的一個(gè)分子進(jìn)化概念，使人們聯(lián)想到直系同源基因Orsologs〕和平行同源基因〔Paralogs〕兩個(gè)概念。同源結(jié)構(gòu)復(fù)合物〔Homologousstructuralcomplexs〕這個(gè)方法的原理是，設(shè)想三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，各自的同家族成員以同樣的方式發(fā)生相互作用。進(jìn)化速率關(guān)聯(lián)〔Corelatedevolutionary-rate〕這個(gè)方法的原理是，蛋白質(zhì)的進(jìn)化速率由這個(gè)蛋白質(zhì)同其它蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用的數(shù)量決定，并呈負(fù)相關(guān)，即相互作用的數(shù)量越多進(jìn)化速率越低，而不是通常設(shè)想的蛋白質(zhì)的進(jìn)化速率由這個(gè)蛋白質(zhì)對(duì)機(jī)體的重要性決定，這是一個(gè)極重要的概念。蛋白質(zhì)相互作用分析相關(guān)數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)站BioGRIDPathBlastHAPPIInterPreTsInterDomStringHPRD