整合分子生態(tài)學(xué)課件

1、第五章 整合分子生態(tài)學(xué)生命系統(tǒng)的復(fù)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(luò)代謝物組與基因型和表現(xiàn)型的關(guān)系信息傳遞網(wǎng)絡(luò)1.生命系統(tǒng)的復(fù)雜性1.1生物體是個(gè)相互作用的系統(tǒng)生命活動(dòng)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(shí)現(xiàn)的。NetworksBiomodulesDNARNABiological SystemRNADNAProteinsBiomodulesCellsNetworks PatientsDoctorsHealthcare SystemNursesHospitalsInsurance CompaniesGovernment1.2 生命系統(tǒng)復(fù)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(fù)雜性的本質(zhì)是由其組成元素之間的關(guān)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(jiǎn)單的“自穩(wěn)態(tài)”系統(tǒng)那樣，通過負(fù)反饋的調(diào)節(jié)控制來穩(wěn)定自身狀態(tài)，從而適應(yīng)外界的變化。生命是一種遠(yuǎn)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(yīng)外界的挑戰(zhàn)或改變。1.3生命系統(tǒng)復(fù)雜性研究的主要技術(shù)平臺(tái) 生物體是由大量結(jié)構(gòu)和功能不同的元件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因此，要建立多層次的組學(xué)技術(shù)平臺(tái)，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(shù)平臺(tái)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算生物學(xué)用數(shù)學(xué)語言定量描述和預(yù)測(cè)生物學(xué)功能和生物體表

3、型和行為。 主要技術(shù)平臺(tái)有：基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、相互作用組學(xué)和表型組學(xué)等 1.3.1 相互作用組學(xué)在生命從低級(jí)到高級(jí)的進(jìn)化過程中，有可能是蛋白質(zhì)之間的相互作用在起主導(dǎo)作用，越是高級(jí)的生命，其相互作用越廣泛。相互作用組學(xué)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(jī)器、途徑和網(wǎng)絡(luò)。相互作用組學(xué)研究可用于構(gòu)建生物系統(tǒng)中的各種途徑和網(wǎng)絡(luò)， 鑒別參與網(wǎng)絡(luò)和途徑的生物元件，形成系統(tǒng)生物學(xué)研究中的模塊，進(jìn)一步通過模塊的相互作用研究構(gòu)建完整的生命活動(dòng)線路圖。1.3.2 表型組學(xué)表型組學(xué)主要是細(xì)胞水平的研究，因?yàn)榧?xì)胞作為生命活動(dòng)

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

5、異的生物學(xué)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(shí)別、結(jié)合成中間復(fù)合物；抗體參與的防御功能需要抗體與抗原之間的特異識(shí)別 與結(jié)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(luò)系統(tǒng)生物學(xué)關(guān)注的不是單個(gè)基因或蛋白，而是它們的相互關(guān)系蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn) 一個(gè)蛋白質(zhì)分子與其配體之間的結(jié)合需要在兩個(gè)分子的特定部位之間形成很多弱化學(xué)鍵，兩分子間相互作用的部位稱為結(jié)合位點(diǎn)。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(jié)合位點(diǎn)決定。兩分子的結(jié)合位點(diǎn)必需存在能夠配對(duì)形成非共價(jià)鍵的基團(tuán)，而且每對(duì)基團(tuán)在空間上恰好能達(dá)到形成非共價(jià)鍵的最佳距

6、離。信號(hào)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(hào)傳遞的特異性。2.2 蛋白質(zhì)相互作用位點(diǎn)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(jié)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(duì)于某些具有四級(jí)結(jié)構(gòu)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(shí)別生物大分子之間，普遍存在著一種專一性結(jié)合現(xiàn)象。專一性結(jié)合要求在兩種蛋白質(zhì)分子的結(jié)合部位之間，其微區(qū)構(gòu)象要

7、能夠相嵌互補(bǔ)，造成相當(dāng)大的接觸面積，或經(jīng)過構(gòu)象達(dá)到這一目的；兩個(gè)結(jié)合部位各有相應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)，相互之間能產(chǎn)生足夠的結(jié)合力。2.3.4 分子自我裝配細(xì)胞器（如核糖體、細(xì)菌鞭毛）、細(xì)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(dòng)地裝配成具有原來生物功能的細(xì)胞器、細(xì)胞器碎片以及病素。自我裝配的實(shí)質(zhì)，就是生物大分子之間的相互識(shí)別，相互作用。這是一種特殊的聚合現(xiàn)象。2.3.5多酶復(fù)合體有不少的多酶體系,體系中的各種酶彼此有機(jī)地結(jié)合在一起，精巧地鑲嵌成一定的結(jié)構(gòu)，形成多酶復(fù)合體。反應(yīng)鏈中的各種酶構(gòu)成了結(jié)構(gòu)化的復(fù)合體。這樣，在連續(xù)有序的

8、反應(yīng)中，能夠縮短每個(gè)產(chǎn)物與參加下一步反應(yīng)的酶之間的距離，使反應(yīng)能以最高的效率進(jìn)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(xué)的關(guān)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(xué)鍵1、氫鍵:具有識(shí)別功能蛋白質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)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(tuán)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(shí)別的結(jié)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(jié)合的結(jié)構(gòu)基元：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix HTH），鋅指結(jié)構(gòu)（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(jié)合蛋白中存在。由兩個(gè)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(jié)構(gòu)域，HTH通過DNA雙螺旋大溝識(shí)別、結(jié)合反向重復(fù)序列TGTG/CACA。鋅指結(jié)構(gòu)首先發(fā)現(xiàn)于非洲爪蟾卵母細(xì)胞純化的TFA，它是5SrRNA基因轉(zhuǎn)錄激活因子，結(jié)合50bp 5SrRNA編碼基因 的內(nèi)調(diào)控區(qū)。含有9個(gè)相同的鋅指結(jié)構(gòu)

10、。核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的體現(xiàn)者.DNA 子代DNA 信使RNA 蛋白質(zhì) 復(fù)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(dá)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(fù)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(fù)制復(fù)制4.基因調(diào)

11、控網(wǎng)絡(luò)基因是如何通過相互影響包括從幾個(gè)基因的調(diào)控通路直到涵蓋全基因組的基因網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生一個(gè)生物體復(fù)雜的表型的?；蛑g相互作用，它們的表達(dá)也互相影響，一個(gè)基因的表達(dá)，會(huì)隨之促進(jìn)或抑制另一個(gè)基因的表達(dá)某些基因存在共表達(dá)的現(xiàn)象，基因之間的相互促進(jìn)或抑制，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。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(luò)代謝物是細(xì)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(duì)基因變化或環(huán)境變化的最終應(yīng)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(duì)表型的了解依賴于所觀察到的有機(jī)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(xué)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(guān)系代謝物組與基因型和表現(xiàn)型關(guān)系的研究方法 正向遺傳學(xué)，即根據(jù)表型變化(如表型正常與異常，健康與疾病)測(cè)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(zhǎng)被用來鑒定和特征化感興趣基因；功能基因組學(xué)需要使用代謝物組數(shù)據(jù)來分析孤獨(dú)基因(orphan genes)的功能，基因型的改變導(dǎo)致在許多方面出現(xiàn)不同的代謝物譜圖，通過對(duì)代謝物進(jìn)行多變量分析及對(duì)大量代謝物進(jìn)行同時(shí)篩選，鑒定孤獨(dú)基因的功能。反求遺傳學(xué)，分析一個(gè)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(cè)基因改變導(dǎo)致的代謝物水平的變化來評(píng)估。比如經(jīng)基因修飾的農(nóng)作物的種植和生產(chǎn)對(duì)于其安全性的評(píng)估，集中于基因修飾加工的特征、新表達(dá)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(dǎo)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(guān)系的研究方法 6. 信息傳遞網(wǎng)絡(luò)6.1信息傳遞的途徑跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)膜受體介導(dǎo)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(dǎo)的信息傳遞6.1.1 跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(transmembrane tranduction)外界信號(hào) 細(xì)胞膜表面 一種或幾種膜蛋白分子構(gòu)象改變 胞內(nèi)信號(hào)分子變化

15、引起相應(yīng)的效應(yīng) 細(xì)胞跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)酶耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)6.1.2 膜受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制 第二信使學(xué)說Sutherland 第二信使: cAMP, cGMP, IP3, DAG, Ca2+ 激素（第一信使）激素-膜受體復(fù)合物Gs或Gi蛋白第二信使生成生物學(xué)效應(yīng)6.1.3 胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信息傳遞類固醇激素受體復(fù)合物作為轉(zhuǎn)錄因子與DNA特異基因的激素反應(yīng)元件結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄甲狀腺素受體復(fù)合物與DNA上的甲狀腺素反應(yīng)元件結(jié)合，調(diào)節(jié)表達(dá)6.2 光敏色素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 6.2.1 光敏色素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一般過程感受到光后，光敏色素發(fā)生構(gòu)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(xì)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dǎo)光敏色素由Pr構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr構(gòu)象后進(jìn)入核內(nèi)，與核內(nèi)的PIF3結(jié)合，PIF3與含有G-box的啟動(dòng)子相互作用，誘導(dǎo)下游初級(jí)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(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程核內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件模式圖發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中的事件G蛋白、鈣結(jié)合蛋白和離子流 生化和藥理學(xué)研究顯示：G蛋白、cGMP和Ca2+ /鈣調(diào)蛋白在控制光敏色素依賴