生物大分子相互作用學(xué)習(xí)資料

生物大分子相互作用Interactionsbetweenbiologicalmacromolecules李琬生物物理教研室分子生物學(xué)館212liwan@教學(xué)大綱掌握：基于基因組信息的、進化信息、結(jié)構(gòu)域、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用預(yù)測方法，HPRD，STRING了解：蛋白質(zhì)-核酸相互作用實驗方法，預(yù)測方法，物理互作，遺傳互作，酵母雙雜交技術(shù)，免疫共沉淀技術(shù)，串聯(lián)親和純化技術(shù)，蛋白質(zhì)芯片技術(shù)，基于蛋白質(zhì)序列的方法蛋白質(zhì)-核酸相互作用蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用△※蛋白質(zhì)-核酸相互作用蛋白質(zhì)-DNADNA復(fù)制、mRNA轉(zhuǎn)錄、病毒的感染蛋白質(zhì)-RNAmRNA的轉(zhuǎn)錄、剪切、出核、定位、翻譯和降解實驗方法預(yù)測方法實驗方法凝膠阻滯實驗DNaseI足跡實驗DMS(硫酸二甲酯)足跡實驗體內(nèi)足跡試驗預(yù)測方法機器學(xué)習(xí)方法Fisher線性判別分析Fisher’slineardiscriminantanalysis(LDA)支持向量機supportvectormachine(SVM)隨機森林randomforest(RF)基于序列、序列和結(jié)構(gòu)、實驗數(shù)據(jù)RPI-Pred:predictingncRNA-proteininteractionusingsequenceandstructuralinformationprotein-RNAinterfacedatabasetrainingdataset：來自NDBandPRIDB1807positivepairs(consistingof1807proteinand1078RNAchains)1436negativepairs(with1436proteinand493RNAchains).TestdatasetsFeatureRNASequence：AUGCRNAsecondarystructures（RSS）:stem,hairpin,loop,bulgesandinternalloop3DNAsuite提取RNAfold預(yù)測共4*5個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預(yù)測共7*16個PDB-2-PBhttp://bioinfo.bdu.ac.in/~pb/Classifier：SVMEvaluation：10-foldcross-validationSVM132-featurevector7×16+4×5‘polynomial’kernelfunction/projects/rpi-pred/rpipred1.php蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（Protein-proteininteraction，PPI）類型研究技術(shù)預(yù)測方法數(shù)據(jù)庫△※※細(xì)胞的許多重要生理或病理活動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)跨膜運輸細(xì)胞代謝肌肉收縮研究蛋白質(zhì)在不同時間、空間和不同環(huán)境中的相互作用了解這些蛋白質(zhì)的功能，進而了解許多生命活動的分子機制有利于疾病的診斷和病理的研究，對藥物篩選也具有重要意義。類型（1）物理互作（2）遺傳互作（1）物理互作（physicalinteraction）由于結(jié)構(gòu)上互補或存在相互吸引的作用力，兩個蛋白質(zhì)物理上相互綁定在一起，或多個蛋白質(zhì)一起形成蛋白質(zhì)復(fù)合體(proteincomplex)，整體上發(fā)揮某個功能。蛋白質(zhì)修飾。（2）遺傳互作（geneticinteraction）一個基因(蛋白質(zhì))的突變導(dǎo)致另一個基因行為的改變蛋白質(zhì)功能間的聯(lián)系，相互作用的蛋白質(zhì)之間并沒有物理上的直接接觸。酶促反應(yīng)中，兩個酶可通過連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生間接的相互作用。研究技術(shù)（1）酵母雙雜交技術(shù)（2）免疫共沉淀技術(shù)（3）串聯(lián)親和純化技術(shù)（4）蛋白質(zhì)芯片技術(shù)（1）酵母雙雜交技術(shù)

（

Yeasttwo-hybridsystem）基于對酵母轉(zhuǎn)錄因子GAL4性質(zhì)的研究。GAL4結(jié)構(gòu)域DNA結(jié)合域（DNAbindingdomain，DNA-BD）識別位于GAL4效應(yīng)基因上游激活序列并與之結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活域（Activationdomain，AD)通過與轉(zhuǎn)錄機構(gòu)中的其他成分之間的結(jié)合作用，以啟動下游基因進行轉(zhuǎn)錄DNA-BD和AD單獨分別作用并不能激活轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，但是當(dāng)二者在空間上充分接近時，則呈現(xiàn)完整的GAL4轉(zhuǎn)錄因子活性并可激活下游啟動子，使啟動子下游基因得到轉(zhuǎn)錄。則會啟動特異基因序列的轉(zhuǎn)錄如果Bait和Prey之間形成蛋白-蛋白復(fù)合物，使GAL4兩個結(jié)構(gòu)域重新結(jié)合AD與Prey融合DNA-BD與Bait融合缺點假陽性結(jié)果限于核內(nèi)表達的蛋白質(zhì)的相互作用（2）免疫共沉淀技術(shù)

（co-immunoprecipitation）

以抗體和抗原之間的專一性作用為基礎(chǔ)是確定兩種蛋白質(zhì)在完整細(xì)胞內(nèi)生理性相互作用的有效方法。當(dāng)細(xì)胞在非變性條件下被裂解時，完整細(xì)胞內(nèi)存在的許多蛋白質(zhì)間的相互作用被保留下來在細(xì)胞裂解液中加入感興趣蛋白的抗體和與抗體特異結(jié)合的結(jié)合于瓊脂糖珠上的ProteinA或G目的蛋白-興趣蛋白-蛋白抗體-ProteinA或G-瓊脂糖珠缺點靈敏性不高假陽性受免疫球蛋白（抗體）的干擾較大（3）串聯(lián)親和純化技術(shù)（Tandemafinitypurification，TAP）經(jīng)過特殊設(shè)計的蛋白標(biāo)簽蛋白A、鈣調(diào)素結(jié)合多肽（CBP）和中間連接的煙草病毒（TEV）蛋白酶識別的酶切位點兩步連續(xù)的親和層析純化更接近自然狀態(tài)的特定蛋白復(fù)合物用TEV酶切割分離蛋白A標(biāo)簽，使含有靶蛋白的復(fù)合物與層析柱分離，從而使含有標(biāo)簽的復(fù)合物純化。細(xì)胞裂解后IgG層析柱蛋白A與免疫球蛋白G（IgG）特異結(jié)合加入過量螯合劑后CBP與親和層析柱分離，使含有靶蛋白的復(fù)合體得到分離純化。鈣調(diào)素偶聯(lián)的親和層析柱靶蛋白上的CBP標(biāo)簽與鈣調(diào)素結(jié)合（4）蛋白質(zhì)芯片技術(shù)（Proteinchip）將蛋白質(zhì)序列固定于載體上與要檢測的目標(biāo)蛋白質(zhì)進行相互作用通過一些儀器定量檢測其載體上所表現(xiàn)的結(jié)果。實驗方法既費時又費力檢測結(jié)果通常存在不同程度的假陽性和假陰性目前擁有的相互作用數(shù)據(jù)只占全部數(shù)據(jù)的一小部分，由此構(gòu)建的相互作用網(wǎng)絡(luò)也極不完整。優(yōu)點速度快成本低適用范圍廣預(yù)測方法△※（1）基于基因組信息的方法（2）基于進化信息的方法（3）基于蛋白質(zhì)序列的方法（4）基于結(jié)構(gòu)域的方法（5）基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法（1）基于基因組信息的方法利用已完成的基因組序列信息對蛋白質(zhì)相互作用進行預(yù)測?；蜞徑樱℅eneNeighborhood）在原核生物基因組中，功能相關(guān)的基因承受著相同的選擇壓力，傾向于在基因組中連在一起，構(gòu)成一個操縱子。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)物之間功能關(guān)系的指示標(biāo)識。不同基因組里的蛋白質(zhì)所對應(yīng)的基因如果是相鄰的，那么這兩個蛋白質(zhì)可能就會發(fā)生相互作用并且功能相關(guān)。適用于進化早期的結(jié)構(gòu)簡單的微生物。基因融合（GeneFusion）兩個蛋白質(zhì)或功能相關(guān)的蛋白質(zhì)在某一個基因組里具有同源性，并且它們能夠融合成一個蛋白質(zhì)，則這兩個蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用的可能性較大。研究表明基因融合事件在代謝蛋白中尤為普遍。限制只能夠預(yù)測在進化過程中發(fā)生融合的蛋自質(zhì)之間的功能關(guān)聯(lián)，不能判斷發(fā)生融合的蛋白是否“物理”上直接接觸。（2）基于進化信息的方法系統(tǒng)發(fā)育譜一個蛋白質(zhì)的系統(tǒng)發(fā)育譜表達的是其在一系列基因組中的同源性關(guān)系如果兩個蛋白質(zhì)的系統(tǒng)發(fā)育譜相似，就被認(rèn)為可能相互作用，具有功能上的相似，同時也具有相同的進化歷史。缺點需要多個基因組作為基礎(chǔ)系統(tǒng)發(fā)育譜的獲取需要進行蛋白質(zhì)序列的多重序列比對不能夠完全用于蛋白質(zhì)相互作用的預(yù)測（3）基于蛋白質(zhì)序列的方法利用序列信息提取蛋白質(zhì)的特征利用模式識別、機器學(xué)習(xí)等方法進行預(yù)測（4）基于結(jié)構(gòu)域的方法蛋白質(zhì)間的相互作用是由結(jié)構(gòu)域間的相互作用介導(dǎo)的。如果相互作用的一對結(jié)構(gòu)域分別位于兩個蛋白質(zhì)上，則這兩個蛋白質(zhì)間就存在相互作用。從已知的蛋白質(zhì)相互作用中預(yù)測有哪些結(jié)構(gòu)域間存在相互作用利用預(yù)測的結(jié)果對待測蛋白質(zhì)對間的相互作用情況進行判別。同源建模將已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)復(fù)合物相互作用的信息應(yīng)用到與組成該復(fù)合物的氨基酸同源的蛋白質(zhì)間。（5）基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法通過評估同源蛋白家族中已知3D結(jié)構(gòu)的復(fù)合物的接觸點特征，給出判斷用實驗的方法進行驗證準(zhǔn)確率達到了65%計算機模擬分子對接早期小分子之間的對接由于算法和計算機處理能力的限制，較難處理含有大分子的分子對接過程。大分子的分子對接對接方法剛性對接、半柔性對接、柔性對接能量優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火、局部搜索MEGADOCK:anall-to-allprotein-proteininteractionpredictionsystemusingtertiarystructuredata計算所有可能對接方式的得分，保留其中2,000xt個最大值的組合(t:numberofdecoysrecordedperrotation)。受體R-----配體L三維空間N*N*N形狀互補靜電引力根據(jù)能量值重新排序這些組合，保留其中能量最低的1000個。將相似結(jié)構(gòu)分為一組，共20個分組。根據(jù)元素個數(shù)大于閾值的分組中S值的最大值計算親和得分。其中Z值大于閾值的即為互作對。http://www.bi.cs.titech.ac.jp/megadock/基于二級結(jié)構(gòu)的方法統(tǒng)計計算蛋白復(fù)合體相互作用結(jié)合區(qū)域內(nèi)不同二級結(jié)構(gòu)及超二級結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的頻次二級結(jié)構(gòu)α螺旋、β折疊、無規(guī)則卷曲超二級結(jié)構(gòu)α拐角、α發(fā)夾、β發(fā)夾、拱形結(jié)構(gòu)。計算不同結(jié)構(gòu)類型出現(xiàn)在相互作用結(jié)合區(qū)的相對傾向值對蛋白質(zhì)對進行打分將打分分值作為特征值輸入支持向量機構(gòu)建模型，進行預(yù)測?；诮Y(jié)構(gòu)特征的方法蛋白質(zhì)相互作用界面兩條以非共價鍵形式結(jié)合的多肽鏈之間的共同區(qū)域，主要由對蛋白質(zhì)結(jié)合起關(guān)鍵作用的、進化速率低于蛋白質(zhì)表面其他部分的殘基所組成。已知界面A與B存在相互作用，而表面區(qū)域a，b分別與A，B的結(jié)合位點在結(jié)構(gòu)上具有相似性，從而推理a與b也存在相互作用。限制三維結(jié)構(gòu)已知的蛋白質(zhì)數(shù)量的有限性蛋白質(zhì)互作預(yù)測數(shù)據(jù)庫存儲預(yù)測的PPI。PIPspbio.dundee.ac.uk/www-pips/貝葉斯分類器常用在線預(yù)測工具PREPPI/PREPPI/