第九章蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)(4)-12-16

1、第九章第九章 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)南京師范大學(xué)南京師范大學(xué)比較基因組學(xué)與生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室比較基因組學(xué)與生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室一、蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)的功能很多，例如以下幾種最基本的生理功能：n1.組成和修復(fù)生物體n2.調(diào)節(jié)生物體的生理機(jī)能n3.運(yùn)輸載體n4.供給能量1.組成和修復(fù)生物體n蛋白質(zhì)是生物體細(xì)胞的基本構(gòu)成物質(zhì)。n人體的肌肉、內(nèi)臟、皮膚、大腦、毛發(fā)、血液及骨骼等的主要成分都是蛋白質(zhì)。n蛋白質(zhì)還可以幫助傷口血液凝固并促進(jìn)其愈合。2.調(diào)節(jié)生物體的生理機(jī)能構(gòu)成生物體差不多所有的生命活性物質(zhì)，例如：n催化體內(nèi)各種生物化學(xué)反應(yīng)的酶n調(diào)節(jié)機(jī)體生長、發(fā)育并行使正常生理功能的激素2.調(diào)節(jié)生物體

2、的生理機(jī)能n抵御外來細(xì)菌和病毒的抗體及免疫類物質(zhì)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)充足時，一旦需要這些抗體和免疫物質(zhì)在數(shù)小時內(nèi)就可以增加數(shù)百倍。n參與細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控細(xì)胞的發(fā)育和凋亡，及至生物體的命運(yùn)。n形成生物體的滲透壓，引發(fā)生物體的各種活動，例如肌肉的做功等。3.運(yùn)輸載體n蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)很多重要的代謝物和營養(yǎng)素的載體。n氧、脂類、維生素、礦物質(zhì)與微量元素都需要利用各種蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)缴矬w需要的地方。n例如，血紅蛋白質(zhì)可以輸送氧；脂蛋白可以輸送脂肪。n蛋白質(zhì)還可以充滿營養(yǎng)物質(zhì)儲備，例如植物種子中的大量蛋白質(zhì)，就是在萌發(fā)時用的儲備。4.供給能量n由于蛋白質(zhì)中含碳、氫、氧元素，當(dāng)機(jī)體需要時，可以被代謝系統(tǒng)分解，釋放

3、出能量。n綜上所述，蛋白質(zhì)參與了生命的幾乎所有過程，例如遺傳、發(fā)育、繁殖、物質(zhì)和能量的代謝、應(yīng)激等。n揭示生物體內(nèi)成千上萬種蛋白質(zhì)的具體功能及其實(shí)施功能的機(jī)制，是在21世紀(jì)后基因組時代蛋白質(zhì)研究的核心內(nèi)容，也是當(dāng)前生物科學(xué)極富挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域之一。二、蛋白質(zhì)組學(xué)n蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）主要是大規(guī)模地研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。n定義：在一定時間內(nèi)一個細(xì)胞或一類細(xì)胞中存在的所有蛋白質(zhì)被稱為蛋白質(zhì)組（proteome），意指proteins expressed by a genome，即一個細(xì)胞或一個組織的“基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)”。二、蛋白質(zhì)組學(xué)n蛋白質(zhì)組學(xué)是應(yīng)用各種技術(shù)研究蛋白質(zhì)組的

4、一門新興科學(xué)。n其目的是從整體的角度分析細(xì)胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組分、表達(dá)水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，揭示蛋白質(zhì)功能與細(xì)胞生命活動規(guī)律。三、蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)n蛋白質(zhì)的相互作用(PPI, Protein-protein interaction)是指蛋白質(zhì)分子之間的相關(guān)性，并從生物化學(xué)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和遺傳網(wǎng)絡(luò)的角度研究這種相關(guān)性。n將此內(nèi)容看作是一個“蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)”（PPIN）的嘗試性定義。Protein interaction：two or more proteins (same or different) interact or form complex 人類蛋白質(zhì)組相用

5、人類蛋白質(zhì)組相用 有一些蛋白質(zhì)可以以有一些蛋白質(zhì)可以以單體單體的形式發(fā)揮的形式發(fā)揮作用，但是大部分的蛋白質(zhì)都是和作用，但是大部分的蛋白質(zhì)都是和伴侶分子伴侶分子或是與或是與其他蛋白質(zhì)其他蛋白質(zhì)一起發(fā)一起發(fā)揮作用的。揮作用的。蛋白質(zhì)相關(guān)知識及研究蛋白質(zhì)相互作用的必要性 基因組計劃-大量的新基因不斷被發(fā)現(xiàn)，然而單純的基因組DNA序列尚不能解答許多生命問題。基因是相對靜態(tài)的，而基因編碼的產(chǎn)物蛋白質(zhì)則是動態(tài)的，具有時空性和調(diào)節(jié)性，是生物功能的主要體現(xiàn)者和執(zhí)行者。蛋白質(zhì)的表達(dá)水平、存在方式以及相互作用等直接與生物功能相關(guān)。 在所有生命活動中，蛋白質(zhì)之間的相互作用是必不可少的，它是細(xì)胞進(jìn)行一切代謝活動的基礎(chǔ)

6、。細(xì)胞接受外源或是內(nèi)源的信號，通過其特有的信號途徑，調(diào)節(jié)其基因的表達(dá)，以保持其生物學(xué)特性。在這個過程中，蛋白質(zhì)占有很重要的地位，它可以調(diào)控, 介導(dǎo)細(xì)胞的許多生物學(xué)活性。 為了更好地理解細(xì)胞的生物學(xué)活性，必須很好地理解蛋白質(zhì)單體和復(fù)合物的功能，這就會涉及到蛋白質(zhì)相互作用的研究。因此，揭示蛋白質(zhì)之間的相互作用關(guān)系、建立相互作用關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)圖，已成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的熱點(diǎn),也是后基因時代的難題所在。研究蛋白質(zhì)相互作用的方法也就具有更為重要的意義。蛋白質(zhì)相互作用： 通過對蛋白質(zhì)相互作用的研究，認(rèn)識生命活動的基本規(guī)律。（科學(xué)） 利用蛋白質(zhì)相互作用，發(fā)展技術(shù)，用于研究生命活動的規(guī)律或應(yīng)用性技術(shù)。（技術(shù)）nP

7、PIN在許多生物過程和研究防治疾病中發(fā)揮著非常重要的作用。nPPIN的研究比基因網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜和困難。n蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)近年來明顯發(fā)展較快。蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系的復(fù)雜性，超出任何個人或特定機(jī)構(gòu)的研究能力。如何研究蛋白質(zhì)相互作用？ 考慮到PPIN的復(fù)雜性，研究人員往往從多種方向和視角來研究某一生物所有的蛋白質(zhì)相互作用。運(yùn)用生物信息學(xué)的方法由繁入簡。研究的廣度實(shí)驗(yàn)分析的方法由簡入繁。研究的深度研究蛋白質(zhì)相互作用的表象與其生物學(xué)意義的關(guān)系和其中的規(guī)律蛋白質(zhì)相互作用是一種表象，通過表象分析規(guī)律，是研究蛋白質(zhì)相互作用的核心從“種瓜得瓜，種豆得豆”到孟德爾遺傳定律現(xiàn)象 科學(xué)問題 研究方法和技

8、術(shù)酵母蛋白質(zhì)相互作用聯(lián)絡(luò)圖 人蛋白質(zhì)相互作用聯(lián)絡(luò)圖如此復(fù)雜的相互作用，哪些是有相關(guān)功能的？哪些是“噪音”？整體系統(tǒng)部分單體 在研究PPIN的計算方法中面臨著許多挑戰(zhàn)性問題。na：為全面了解某一生物功能的機(jī)理，研究并確定PPIN中兩個節(jié)點(diǎn)之間相互作用的邊是需要解決的第一個重要問題，這被稱為小規(guī)模實(shí)驗(yàn)。nb：研究PPIN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和規(guī)模，對于了解該網(wǎng)絡(luò)的全局性能是非常重要的。n c：研究PPIN中蛋白質(zhì)復(fù)合體是至關(guān)重要的。一些蛋白質(zhì)可與其他多個蛋白質(zhì)結(jié)合組成蛋白質(zhì)復(fù)合體。通常這些復(fù)合體可以組成一個穩(wěn)定的單位，在一定時間內(nèi)不會發(fā)生重大變化。但也有另一些高度動態(tài)變化的復(fù)合體可導(dǎo)致細(xì)胞狀態(tài)和功能的改變。

9、 蛋白質(zhì)復(fù)合體的形態(tài)可轉(zhuǎn)化為其他不同形態(tài)，由此可以構(gòu)造一種蛋白質(zhì)復(fù)合體形態(tài)演化網(wǎng)絡(luò)。nd：生物體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑、代謝路徑和有關(guān)的細(xì)胞過程是構(gòu)建PPIN的骨干。要了解細(xì)胞，研究和建立上述路徑模型也是至關(guān)重要的。在許多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝路徑中都有蛋白質(zhì)相互作用。ne：可根據(jù)蛋白質(zhì)相互作用的關(guān)系來預(yù)測蛋白質(zhì)的功能。預(yù)測蛋白質(zhì)功能是目前計算生物學(xué)的一個最重要的任務(wù)。利用數(shù)據(jù)模型和計算方法，可以直接從蛋白質(zhì)序列預(yù)測PPIN的結(jié)構(gòu)、功能及其動力學(xué)機(jī)制。n例如，基于假設(shè)鄰近蛋白質(zhì)具有相似性的聚類方法，統(tǒng)計“投票”方法，全局預(yù)測方法，表達(dá)譜分析的最短距離方法，概率方法，馬爾可夫隨機(jī)場方法和信息傳遞方法等各種方法

10、。四、蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)中的模體和模塊n生物中的一個有趣現(xiàn)象是直系同源（orthologous）蛋白質(zhì)可以在物種的進(jìn)化過程中保留生物功能。n因此，這些直系同源蛋白質(zhì)所組成的模體可以很好地揭示這些蛋白質(zhì)在特定生物功能中的作用和重要性。 為揭示蛋白質(zhì)的進(jìn)化率和它所在的模體之間的關(guān)系，研究者對釀酒酵母的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。n分別識別了其中的兩節(jié)點(diǎn)、三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)的所組成的模體。n認(rèn)為如果由于進(jìn)化壓力來維持特定模體的話，模體中的組成蛋白應(yīng)該是進(jìn)化保守的并且在其他物種中具有直系同源性。n他們研究了678個蛋白質(zhì)，且在五個其他物種中都分別具有一個直系同源蛋白。n五個物種：擬南芥、果蠅、小鼠、線蟲

11、和人。n 分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的模體中的蛋白質(zhì)具有不同的保守率。n 只有不到5%的三節(jié)點(diǎn)組成的線性模體其組成蛋白質(zhì)在五個物種中是完全保守的，而47%的五節(jié)點(diǎn)組成的完全連通的模體在五個物種中是完全保守的。這些結(jié)果說明直系同源蛋白在酵母蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)中不是隨機(jī)分布的，而是保守模體的基本組成使得這些模體是進(jìn)化保守的。n研究還發(fā)現(xiàn)，大的模體更傾向于進(jìn)化保守。n這些模體中的蛋白質(zhì)在其他物種中都具有直接同源蛋白。n也就是說，對于同一模體，其包含的節(jié)點(diǎn)和連接越多，其組成蛋白質(zhì)越保守。n 第三列：給出了模體在酵母蛋白質(zhì)中相互作用中的個數(shù)；n 第四列：給出了在五個物種完全保守的模體所占原第三列給出模體個數(shù)的比

12、例；n 第五列：給出了隨機(jī)分布的直系同源蛋白質(zhì)中所找到的模體占第三列給出模體個數(shù)的比例；n 第六列：給出的是第四列和第五列之比，如果該值越高說明了該模體越是高度保守的。 另外，為研究模體中組成蛋白的功能對其進(jìn)化保守的影響，研究者將模體和生物功能通過模體的組成蛋白質(zhì)連接起來。n分析發(fā)現(xiàn)，大的模體具有很明顯增加的功能一致性。例如，95%的全連通的五節(jié)點(diǎn)模體，其所有的組成蛋白至少共享一個生物功能； 相反，10%的兩節(jié)點(diǎn)模體是功能一致的。 對應(yīng)酵母的不同生物功能，研究者在人的基因組中找到了完全進(jìn)化保守的模體的類型和數(shù)目。n 對于一些特殊的生物功能，像亞細(xì)胞位置、蛋白質(zhì)命運(yùn)和轉(zhuǎn)錄，11個所研究模體中的每

13、一個都是非常保守的。相反，其他一些生物功能，像轉(zhuǎn)運(yùn)、調(diào)控和細(xì)胞運(yùn)輸，只有一個或者兩個保守的模體。n 這些結(jié)果說明，不同的生物功能不僅和模體的特定拓?fù)涮卣饔嘘P(guān)，而且還和這些模體的不同進(jìn)化速率有關(guān)。n網(wǎng)絡(luò)中的模體還有助于識別生物網(wǎng)絡(luò)中的重要功能模塊。n分析發(fā)現(xiàn)，全連接的模體很有可能是屬于某個蛋白質(zhì)復(fù)合物的。五、蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)分類n蛋白質(zhì)互作通?？梢苑譃槲锢砘プ骱瓦z傳互作。物理互作是指蛋白間通過空間構(gòu)象或化學(xué)鍵彼此發(fā)生的結(jié)合或化學(xué)反應(yīng)，是蛋白質(zhì)互作的主要研究對象。n而遺傳互作則是指在特殊環(huán)境下，蛋白或其編碼基因受到其他蛋白質(zhì)或基因影響，常常表現(xiàn)為表型變化之間的相互關(guān)系。六、蛋白質(zhì)互作檢測技術(shù)n早期的

14、蛋白質(zhì)互作檢測工作主要基于免疫共沉淀技術(shù)（co-immunoprecipitation）。近些年來，一些高通量的檢測技術(shù)應(yīng)用于檢測蛋白質(zhì)間的相互作用關(guān)系（蛋白質(zhì)互作）。n其中較為常用的技術(shù)有酵母雙雜交（Yeast Two Hybrid，Y2H）技術(shù)和串聯(lián)親和純化-質(zhì)譜分析（Tandem Affinity Purification - Mass Spectrometry，TAP-MS）技術(shù)。六、蛋白質(zhì)互作檢測技術(shù)n1.免疫共沉淀技術(shù)n2.酵母雙雜交技術(shù)n3.串聯(lián)親和純化-質(zhì)譜分析技術(shù) n4.蛋白質(zhì)互作預(yù)測技術(shù) n5.遺傳互作檢測技術(shù) 七、蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)庫n目前，已經(jīng)有大量蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)信息存儲在

15、公共數(shù)據(jù)庫中，提供了大量的蛋白質(zhì)相互作用信息，其中包括BIND數(shù)據(jù)庫、DIP數(shù)據(jù)庫、MIPS數(shù)據(jù)庫和GRID數(shù)據(jù)庫等等。從這些數(shù)據(jù)庫中，可以得到不同物種的蛋白質(zhì)互作信息及其實(shí)驗(yàn)證據(jù)。DatabaseIntrodutionBIND:http:/bind.ca/。生物分子對象網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（Biomolecular Object Network Databank）中最重要的組成部分之一。主要記錄蛋白質(zhì)互作在內(nèi)的生物分子間的相互作用信息，并將其中的信息分為經(jīng)過人工檢查的可信信息和高通量數(shù)據(jù)信息。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)工具查詢互作信息也可以將互作信息下載到本地進(jìn)行處理.DIP:http:/dip.doembi.

16、/。專門存儲蛋白質(zhì)相互作用信息的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中也包含人工檢查的可靠信息和自動計算方法所獲取的高通量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫可以按照不同的物種選擇下載不同格式的蛋白質(zhì)互作信息。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)工具查詢互作信息也可以將互作信息下載到本地進(jìn)行處理MIPS:http:/www.helmholtz-muenchen.de/en/mips/跨物種的綜合性數(shù)據(jù)庫，包含多種數(shù)據(jù)庫信息。其中的CYGD數(shù)據(jù)庫提供了比較完整酵母蛋白質(zhì)互作信息。而MIPS哺乳動物數(shù)據(jù)庫MPPI則提供了經(jīng)過人工檢查的哺乳動物蛋白質(zhì)互作信息。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)工具查詢互作信息也可以將互作信息下載到本地進(jìn)行處理BioGrid:/。一個包含多物種蛋白質(zhì)互作信息的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)