蛋白質(zhì)功能分析與結(jié)構(gòu)預(yù)測

蛋白質(zhì)功能分析與結(jié)構(gòu)預(yù)測第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)功能分析第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)功能預(yù)測新基因的可能功能已經(jīng)了解到神經(jīng)纖維素nf1基因的突變與遺傳性的多發(fā)性神經(jīng)纖維瘤Ⅰ型疾病有關(guān)（neurofibromatosis1）；但關(guān)于該疾病的分子機(jī)制知之甚少。序列相似性分析發(fā)現(xiàn)NF1與酵母的IRA蛋白同源，該蛋白是一個(gè)GTP酶活性調(diào)控蛋白(GTPaseactivatingprotein)，也已經(jīng)知道在酵母細(xì)胞中其調(diào)控GTP酶Ras的活性。推斷:NF1在人細(xì)胞中可能調(diào)控Ras蛋白；然后進(jìn)一步可以用生物實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。IRANF1調(diào)控GTP酶Ras活性調(diào)控GTP酶活性第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法基于同源序列的蛋白質(zhì)功能預(yù)測基于結(jié)構(gòu)域（模體）的蛋白質(zhì)功能預(yù)測基于空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測基于相互作用的蛋白質(zhì)功能預(yù)測第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于同源序列的蛋白質(zhì)功能預(yù)測 蛋白質(zhì)A具有轉(zhuǎn)錄功能，蛋白質(zhì)B與A在氨基酸序列上同源（直系同源），因而蛋白質(zhì)B也具有轉(zhuǎn)錄功能。AB轉(zhuǎn)錄活性轉(zhuǎn)錄活性蛋白質(zhì)A蛋白質(zhì)B第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五序列相似性比較作為一個(gè)非常有效的工具用于同源基因的發(fā)現(xiàn)基于序列同源的蛋白質(zhì)功能預(yù)測第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于序列同源的蛋白質(zhì)功能預(yù)測第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于結(jié)構(gòu)域（模體）的蛋白質(zhì)功能預(yù)測 一類基因具有轉(zhuǎn)錄功能，且它們所編碼的蛋白質(zhì)都具有Y結(jié)構(gòu)域（模體），蛋白質(zhì)B也具有Y結(jié)構(gòu)域（模體），因而蛋白質(zhì)B的功能也應(yīng)該與基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)。蛋白質(zhì)B轉(zhuǎn)錄活性轉(zhuǎn)錄活性第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)模體或結(jié)構(gòu)域在氨基酸序列水平比其他區(qū)域保守，通過對(duì)序列比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)這些在進(jìn)化上較為保守的區(qū)域；蛋白質(zhì)模體或結(jié)構(gòu)域通常與該蛋白質(zhì)的功能直接相關(guān)；根據(jù)模體或結(jié)構(gòu)域信息可以對(duì)同源水平較低的蛋白質(zhì)的進(jìn)行功能預(yù)測?；诮Y(jié)構(gòu)域（模體）的蛋白質(zhì)功能預(yù)測第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于模體的蛋白質(zhì)功能預(yù)測舉例：SWISS-PROTQ03112第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測

蛋白質(zhì)A具有某一空間結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)B也具有與A類似的空間結(jié)構(gòu)特征，因而蛋白質(zhì)B具有與A相似的功能。鼠的Abl酪氨酸激酶人的p38絲氨酸激酶第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五序列-結(jié)構(gòu)比較結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)比較基于空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)性質(zhì)和功能，相似結(jié)構(gòu)具有類似功能；結(jié)構(gòu)比序列更保守，空間結(jié)構(gòu)比較可以發(fā)現(xiàn)序列相似性很低但結(jié)構(gòu)相似的遠(yuǎn)源同源蛋白，根據(jù)這些遠(yuǎn)源同源蛋白的結(jié)構(gòu)和相關(guān)信息推測蛋白可能的功能。第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測鼠abl酪氨酸激酶與人p38絲氨酸激酶序列比較鼠酪氨酸激酶人絲氨酸激酶第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比序列更保守28％的序列一致性鼠abl酪氨酸激酶人p38絲氨酸激酶第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于相互作用的蛋白質(zhì)功能預(yù)測 蛋白質(zhì)之間相互作用以及通過相互作用而形成的蛋白復(fù)合物是細(xì)胞各種基本功能的主要完成者。 蛋白質(zhì)A具有轉(zhuǎn)錄功能，蛋白質(zhì)B可以與蛋白質(zhì)A相互作用，因而蛋白質(zhì)B可能與基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)。蛋白質(zhì)A蛋白質(zhì)B轉(zhuǎn)錄活性轉(zhuǎn)錄活性第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五基于相互作用的蛋白質(zhì)功能預(yù)測A具有轉(zhuǎn)錄功能，蛋白B、C、D和E的功能可能與基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)ABCDE第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五DIP蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫（DatabaseofInteractingProteins）基于相互作用的蛋白質(zhì)功能預(yù)測/第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五結(jié)構(gòu)決定功能一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)—相似的氨基酸序列具有相似的結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)具有類似功能第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)就是氨基酸的排列順序MTYKLILNGKTKGETTTEAVDAATAEKVFQYANDNGVDGEWTYTE第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)：主要由氫鍵維系的結(jié)構(gòu)（α-螺旋、β-折疊）第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五Protein3DStructureα-螺旋β-折疊環(huán)(loop)或轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲(coil)Back第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步折疊形成的結(jié)構(gòu)域第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)確定方法實(shí)驗(yàn)方法X-射線晶體衍射最為精確的方法(~1A)體外，需要蛋白結(jié)晶核磁共振(NMR)精確度次之(~1-2.5A)體內(nèi)，不需要結(jié)晶適用于小分子蛋白第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)方法–結(jié)構(gòu)預(yù)測蛋白質(zhì)的氨基酸序列決定其結(jié)構(gòu)，根據(jù)氨基酸序列來預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)確定方法由于資金和技術(shù)等方面的限制，許多蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)尚未測定。對(duì)于這些蛋白質(zhì)，利用計(jì)算機(jī)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測是獲得其空間結(jié)構(gòu)的很好辦法。第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五PDB數(shù)據(jù)庫55,000個(gè)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測Swiss-prot405,506個(gè)記錄TrEMBL6,964,485個(gè)記錄第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方法同源建模法（Homology）同源蛋白質(zhì)具有相似的結(jié)構(gòu)和功能根據(jù)序列同源性推斷目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)折疊識(shí)別/穿線法（Threading）根據(jù)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)折疊類型來推斷目標(biāo)蛋白的折疊方式從頭算預(yù)測法（abinitio）從序列到結(jié)構(gòu)根據(jù)物理模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五主要思路： 對(duì)于一未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，找到已知結(jié)構(gòu)的同源蛋白質(zhì)，以同源蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為模板，為未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)建立結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)： 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)，相似序列具有相似結(jié)構(gòu)。一般如果蛋白質(zhì)序列一致性超過30%，則它們具有類似的空間結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)蛋白質(zhì)的基本骨架相同，只是在非主要結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)部分有所不同。

蛋白質(zhì)同源建模第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率：一致性60%的氨基酸序列，同源建模非常準(zhǔn)確。若超過60%，且無大片段的插入或缺失，則預(yù)測結(jié)果接近于實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果。一般情況，如序列一致性大于30%，則可以期望得到比較理想的預(yù)測結(jié)果。蛋白質(zhì)同源建模第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)同源建模應(yīng)用Marti-Renometal.Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct.(2000):291-325.可用于分辨蛋白空間結(jié)構(gòu)的變化，如確定結(jié)合位點(diǎn)的位置及估計(jì)配體大小根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行蛋白定點(diǎn)突變模型準(zhǔn)確率=低分辨率的x-ray或中等分辨率的NMR小分子配體或蛋白與蛋白對(duì)接可用于蛋白質(zhì)功能的預(yù)測第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)同源建?；具^程搜索與目標(biāo)序列同源的模板序列(已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列)目標(biāo)序列與模板序列對(duì)齊(關(guān)鍵步驟)骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)建非保守區(qū)的環(huán)（loop）結(jié)構(gòu)建模側(cè)鏈安裝優(yōu)化和評(píng)估所建模型第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五一、選擇合適的結(jié)構(gòu)模板通過序列相似性

－用FASTA,BLAST,PSI-BLAST

－高度序列相似性的效果最好，但可嘗試遠(yuǎn)源同源性，之后評(píng)估效果?

進(jìn)化關(guān)系越相近，效果越好

－考慮系統(tǒng)進(jìn)化樹?

通常采用多個(gè)模板來建立模型的效果比較好第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五一、選擇合適的結(jié)構(gòu)模板在PDB數(shù)據(jù)庫中搜索與目標(biāo)序列同源的模板序列，找到所有在序列水平上與目標(biāo)序列相似的已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五一、選擇合適的結(jié)構(gòu)模板 根據(jù)一定序列相似性標(biāo)準(zhǔn)初步篩選模板，如SWISS-MODEL選擇與目標(biāo)序列一致性大于25%，且長度大于20個(gè)氨基酸殘基的已知結(jié)構(gòu)的蛋白序列為模板。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五二、目標(biāo)序列和模板的比對(duì)目標(biāo)序列和模板正確的比對(duì)非常重要比對(duì)過程盡量使用結(jié)構(gòu)信息

－大部分的插入/缺失發(fā)生在主要二級(jí)結(jié)構(gòu)的連接處，而不是發(fā)生在二級(jí)結(jié)構(gòu)中間。

－用所有可能的模板進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)的序列比對(duì)第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五二、目標(biāo)序列和模板的比對(duì)ClustalW的對(duì)齊結(jié)果考慮結(jié)構(gòu)的序列對(duì)齊結(jié)果第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五二、目標(biāo)序列和模板的比對(duì)ClustalW的對(duì)齊結(jié)果考慮結(jié)構(gòu)的序列對(duì)齊結(jié)果第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五如果只有一個(gè)模板，直接復(fù)制空間骨架結(jié)構(gòu);如果有多個(gè)模板，對(duì)所有相關(guān)模板進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)疊合，去除不一致的模板。三、建立模型I——骨架的構(gòu)建第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五三、建立模型I——骨架的構(gòu)建平均化α-碳原子的位置，確定目標(biāo)氨基酸序列的空間骨架結(jié)構(gòu)。第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五loop結(jié)構(gòu)建模的方法基于物理性質(zhì)的方法:分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬基于已知結(jié)構(gòu)的方法:與已知結(jié)構(gòu)的loop進(jìn)行匹配，將相匹配的loop結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)Loop是含有5個(gè)以上的氨基酸殘基的β轉(zhuǎn)角，連接蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)通常目標(biāo)分子和模板在loop區(qū)域不同（片段的插入/缺失）四、建立模型II——loop結(jié)構(gòu)建模Back第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五側(cè)鏈安裝對(duì)具有相似序列的位置，復(fù)制模板結(jié)構(gòu)對(duì)于不同序列的位置，通過匹配旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)來確定側(cè)鏈結(jié)構(gòu)五、建立模型III——側(cè)鏈安裝第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五六、優(yōu)化所建模型由步驟I-III建立的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可能具有較差的立體化學(xué)性質(zhì)；通過分子動(dòng)力學(xué)能量最小化可以改進(jìn)嚴(yán)重的局部錯(cuò)誤，如SWISS-MODEL通過對(duì)所構(gòu)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行能量最小化優(yōu)化。第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五有很多地方容易出錯(cuò)…不合適的模板——根本沒有與目標(biāo)序列相同的結(jié)構(gòu)；錯(cuò)誤的對(duì)齊結(jié)果——產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤的loop結(jié)構(gòu)構(gòu)建錯(cuò)誤的側(cè)鏈位置第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五折疊識(shí)別方法很多蛋白質(zhì)在氨基酸序列水平上有很大的不同（<30%），對(duì)于這類蛋白質(zhì)，很難直接通過序列比對(duì)找出它們之間的關(guān)系。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很大的可變性，但由于分子作用力往往傾向于形成某些折疊結(jié)構(gòu)（基本骨架）。有限的蛋白質(zhì)折疊類型(可能只有幾千種)。第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五有限的蛋白質(zhì)折疊類型獨(dú)特的折疊結(jié)構(gòu)數(shù)量較少(可能只有幾千種)第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五獨(dú)特折疊結(jié)構(gòu)數(shù)量1980198519901995200020052008有限的蛋白質(zhì)折疊類型向PDB提交的新結(jié)構(gòu)中，90%與數(shù)據(jù)庫中的已知折疊結(jié)構(gòu)相似

第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五有限的蛋白質(zhì)折疊類型258種類型165種類型141種類型334種類型50種類型第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五目標(biāo)序列

MTYKLILNGKTKGETTTEAVDAATAEKVFQYANDNGVDGEWTYTE

折疊結(jié)構(gòu)折疊識(shí)別方法目標(biāo)序列與已知折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,找到目標(biāo)序列最佳的折疊結(jié)構(gòu)，以此預(yù)測目標(biāo)蛋白結(jié)構(gòu)（因?yàn)橹挥星в喾N折疊結(jié)構(gòu),總能找到目標(biāo)序列正確的折疊形式）。折疊結(jié)構(gòu)模板數(shù)據(jù)庫第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)折疊識(shí)別是一種不依賴于序列相似性的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，該方法通過序列與結(jié)構(gòu)的比對(duì)，從有限的蛋白折疊結(jié)構(gòu)中找到目標(biāo)序列最有可能的折疊方式。折疊識(shí)別方法折疊識(shí)別的關(guān)鍵：判別目標(biāo)序列與模板的關(guān)系，也就是序列與結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確比對(duì)。第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五MTYKLILNGKTKGETTTEAVDAATAEKVFQYANDNGVDGEWTYTE殘基的環(huán)境偏好:Es殘基間相互作用傾向:Ep插入/缺失區(qū)域:Egtotalenergy:

Em+Es+Ep+Eg+Ess殘基突變成模板對(duì)應(yīng)位置殘基的傾向:Em殘基與所在二級(jí)結(jié)構(gòu)的兼容性:Ess序列-結(jié)構(gòu)最佳對(duì)齊方式，能量最小化折疊識(shí)別通過在比對(duì)過程中計(jì)算結(jié)構(gòu)能量，實(shí)現(xiàn)序列與結(jié)構(gòu)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)，這也是與同源建模最大的不同之處。折疊識(shí)別方法第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五MTYKLILNGKTKGETTTEAVDAATAEKVFQYANDNGVDGEWTYTEScore=600Score=1600Score=920Score=1120哪一個(gè)為目標(biāo)序列的正確折疊結(jié)構(gòu)?折疊識(shí)別方法第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五折疊識(shí)別方法只能預(yù)測蛋白質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)藍(lán)色：實(shí)際結(jié)構(gòu)綠色：預(yù)測結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu)折疊識(shí)別方法第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五折疊識(shí)別方法預(yù)測較成功的例子actualpredictedactualactualactualpredictedpredictedpredicted折疊識(shí)別方法第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五折疊識(shí)別方法預(yù)測不太成功的例子折疊識(shí)別方法第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五從頭預(yù)測方法——既無已知結(jié)構(gòu)的同源蛋白質(zhì)、也沒有已知結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)源同源蛋白質(zhì)的情況下，僅僅根據(jù)氨基酸序列本身，通過理論計(jì)算（如分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算）進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測。該類方法假設(shè)折疊后的蛋白質(zhì)取能量最低的構(gòu)象。從頭預(yù)測方法第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五從頭預(yù)測方法從頭預(yù)測方法的不足之處：一是自然的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和未折疊的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩者之間的能量差非常小。二是蛋白質(zhì)可能的構(gòu)象空間龐大，針對(duì)蛋白質(zhì)折疊的計(jì)算量非常驚人。第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)前預(yù)測方法概況第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五MAGSKWETEETNQFAIENQKLEEEWRKKRRLEKKRKRKILEEEEKAEERNIDACRLYLMGNTPELKSCNSIDDYEILEKIEEGSYGIVYRGLDKSTNTLVALKKIKFDPNGIGFPITSLREIESLSSIRHDNIVELEKVVVGKDLKDVYLVMEFMEHDLKTLLDNMPEDFLQSEVKTLMLQLLAATAFMHHHWYLHRDLKPSNLLMNNTGEIKLADFGLARPVSEPKSSLT