1、第九章第九章 蛋白質相互作用網絡蛋白質相互作用網絡南京師范大學南京師范大學比較基因組學與生物信息學實驗室比較基因組學與生物信息學實驗室蛋白質n蛋白質（protein）是一種復雜的有機化合物，也稱“多肽”，它由氨基酸分子排列的線性鏈所構成，其氨基酸序列是由對應的基因序列（遺傳密碼）所確定。n除了按照遺傳密碼所編碼的十種標準氨基酸外，在某些生物體中，遺傳密碼還包括其他氨基酸。蛋白質n蛋白質殘基可以在被翻譯后修飾而發生化學變化，并改變其物理、化學及生物學性能，從而改變蛋白質的功能。n多個蛋白質可以組成復合體來實現某一特定功能。一、蛋白質的功能蛋白質的功能很多，例如以下幾種最基本的生理功能：n1.組成

2、和修復生物體n2.調節生物體的生理機能n3.運輸載體n4.供給能量1.組成和修復生物體n蛋白質是生物體細胞的基本構成物質。n人體的肌肉、內臟、皮膚、大腦、毛發、血液及骨骼等的主要成分都是蛋白質。n蛋白質還可以幫助傷口血液凝固并促進其愈合。2.調節生物體的生理機能構成生物體差不多所有的生命活性物質，例如：n催化體內各種生物化學反應的酶n調節機體生長、發育并行使正常生理功能的激素n抵御外來細菌和病毒的抗體及免疫類物質，當蛋白質充足時，一旦需要這些抗體和免疫物質在數小時內就可以增加數百倍。n參與細胞的信號轉導，調控細胞的發育和凋亡，乃至生物體的命運。n形成生物體的滲透壓，引發生物體的各種活動，例如肌

3、肉的做功等。3.運輸載體n蛋白質是生物體內很多重要的代謝物和營養素的載體。n氧、脂類、維生素、礦物質與微量元素都需要利用各種蛋白質運輸到生物體需要的地方。 例如，血紅蛋白質可以輸送氧；脂蛋白可以輸送脂肪。n蛋白質還可以充當營養物質儲備，例如植物種子中的大量蛋白質，就是在萌發時用的儲備。4.供給能量n由于蛋白質中含碳、氫、氧元素，當機體需要時，可以被代謝系統分解，釋放出能量。n綜上所述，蛋白質參與了生命的幾乎所有過程，例如遺傳、發育、繁殖、物質和能量的代謝、應激等。n揭示生物體內成千上萬種蛋白質的具體功能及其實施功能的機制，是在21世紀后基因組時代蛋白質研究的核心內容，也是當前生物科學極富挑戰性

4、的研究領域之一。二、蛋白質組學n蛋白質組學（Proteomics）主要是大規模地研究蛋白質的結構和功能。n定義：在一定時間內一個細胞或一類細胞中存在的所有蛋白質被稱為蛋白質組（proteome），意指proteins expressed by a genome，即一個細胞或一個組織的“基因組所表達的全部蛋白質”。二、蛋白質組學n蛋白質組學是應用各種技術研究蛋白質組的一門新興科學。n其目的是從整體的角度分析細胞內動態變化的蛋白質組分、表達水平與修飾狀態，了解蛋白質之間的相互作用與聯系，揭示蛋白質功能與細胞生命活動規律。三、蛋白質相互作用網絡n蛋白質的相互作用(PPI, Protein-prote

5、in interaction)是指蛋白質分子之間的相關性，并從生物化學、信號轉導和遺傳網絡的角度研究這種相關性。n將此內容看作是一個“蛋白質相互作用網絡”（PPIN）的嘗試性定義。Protein interaction：two or more proteins (same or different) interact or form complex 人類蛋白人類蛋白質組質組 有一些蛋白質可以以單體的形式發揮作用，但是大部分的蛋白質都是和伴侶分子或是與其他蛋白質一起發揮作用的。蛋白質相關知識及研究蛋白質相互作用的必要性 基因組計劃-大量的新基因不斷被發現，然而單純的基因組DNA序列尚不能解答許多

6、生命問題。基因是相對靜態的，而基因編碼的產物蛋白質則是動態的，具有時空性和調節性，是生物功能的主要體現者和執行者。蛋白質的表達水平、存在方式以及相互作用等直接與生物功能相關。 在所有生命活動中，蛋白質之間的相互作用是必不可少的，它是細胞進行一切代謝活動的基礎。細胞接受外源或是內源的信號，通過其特有的信號途徑，調節其基因的表達，以保持其生物學特性。在這個過程中，蛋白質占有很重要的地位，它可以調控, 介導細胞的許多生物學活性。 為了更好地理解細胞的生物學活性，必須很好地理解蛋白質單體和復合物的功能，這就會涉及到蛋白質相互作用的研究。因此，揭示蛋白質之間的相互作用關系、建立相互作用關系的網絡圖，已成

7、為蛋白質組學研究中的熱點,也是后基因時代的難題所在。研究蛋白質相互作用的方法也就具有更為重要的意義。蛋白質相互作用：1.通過對蛋白質相互作用的研究，認識生命活動的基本規律。（科學）2.利用蛋白質相互作用，發展技術，用于研究生命活動的規律或應用性技術。（技術）nPPIN在許多生物過程和研究防治疾病中發揮著非常重要的作用。nPPIN的研究比基因網絡更為復雜和困難。n蛋白質相互作用網絡近年來明顯發展較快。蛋白相互作用網絡蛋白質相互作用關系的復雜性，超出任何個人或特定機構的研究能力。如何研究蛋白質相互作用？ 考慮到PPIN的復雜性，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相互作用。運用生

8、物信息學的方法由繁入簡。研究的廣度實驗分析的方法由簡入繁。研究的深度酵母蛋白質相互作用聯絡圖 人蛋白質相互作用聯絡圖如此復雜的相互作用，哪些是有相關功能的？哪些是“噪音”？整體系統部分單體 在研究PPIN的計算方法中面臨著許多挑戰性問題。na：為全面了解某一生物功能的機理，研究并確定PPIN中兩個節點之間相互作用的邊是需要解決的第一個重要問題，這被稱為小規模實驗。nb：研究PPIN的拓撲結構和規模，對于了解該網絡的全局性能是非常重要的。n c：研究PPIN中蛋白質復合體是至關重要的。一些蛋白質可與其他多個蛋白質結合組成蛋白質復合體。通常這些復合體可以組成一個穩定的單位，在一定時間內不會發生重大

9、變化。但也有另一些高度動態變化的復合體可導致細胞狀態和功能的改變。 蛋白質復合體的形態可轉化為其他不同形態，由此可以構造一種蛋白質復合體形態演化網絡。nd：生物體內的信號轉導路徑、代謝路徑和有關的細胞過程是構建PPIN的骨干。要了解細胞，研究和建立上述路徑模型也是至關重要的。在許多信號轉導和代謝路徑中都有蛋白質相互作用。ne：可根據蛋白質相互作用的關系來預測蛋白質的功能。預測蛋白質功能是目前計算生物學的一個最重要的任務。利用數據模型和計算方法，可以直接從蛋白質序列預測PPIN的結構、功能及其動力學機制。n例如，基于假設鄰近蛋白質具有相似性的聚類方法，統計“投票”方法，全局預測方法，表達譜分析的

10、最短距離方法，概率方法，馬爾可夫隨機場方法和信息傳遞方法等各種方法。四、蛋白質相互作用網絡中的模體n網絡模體：是網絡中不同位置重復出現的節點組合的特殊拓撲結構。n網絡主題：同一類模體組成的更加復雜的結構成為網絡主題，網絡主題與特定的生物學功能相關。n生物中的一個有趣現象是直系同源（orthologous）蛋白質可以在物種的進化過程中保留生物功能。n因此，這些直系同源蛋白質所組成的模體可以很好地揭示這些蛋白質在特定生物功能中的作用和重要性。 為揭示蛋白質的進化率和它所在的模體之間的關系，研究者對釀酒酵母的蛋白質相互作用網絡進行了分析。n分別識別了其中的兩節點、三節點和四節點的所組成的模體。n認為

11、如果由于進化壓力來維持特定模體的話，模體中的組成蛋白應該是進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，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、線蟲和人。n 分析結果發現，不同的模體中的蛋白質具有不同的保守率。n 只有不到5%的三節點組成的線性模體其組成蛋白質在五個物種中是完全保守的，而47%的五節點組成的完全連通的模體在五個物種中是完全保守的。這些結果說明直系同源蛋白在酵母蛋白質相互作用網絡中不是隨機分布的，而是保守模體的基本組成使得這些模體是進化保守的。n研究還發現，大的模體更傾向于進化保守。n這些模體中的蛋白質在其他物種中都具

12、有直接同源蛋白。n也就是說，對于同一模體，其包含的節點和連接越多，其組成蛋白質越保守。n 第三列：給出了模體在酵母蛋白質中相互作用中的個數；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的比例；n 第五列：給出了隨機分布的直系同源蛋白質中所找到的模體占第三列給出模體個數的比例；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連接起來。n分析發現，大的模體具有很明顯增加的功能一致性。例如，95%的全連通的五節點模體，其所有的組成蛋白至少共享一個生物功

13、能； 相反，10%的兩節點模體是功能一致的。 對應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化保守的模體的類型和數目。n 對于一些特殊的生物功能，像亞細胞位置、蛋白質命運和轉錄，11個所研究模體中的每一個都是非常保守的。相反，其他一些生物功能，像轉運、調控和細胞運輸，只有一個或者兩個保守的模體。n 這些結果說明，不同的生物功能不僅和模體的特定拓撲特征有關，而且還和這些模體的不同進化速率有關。n網絡中的模體還有助于識別生物網絡中的重要功能模塊。n分析發現，全連接的模體很有可能是屬于某個蛋白質復合物的。五、蛋白質互作網絡分類n蛋白質互作通常可以分為物理互作和遺傳互作。物理互作是指蛋白間通

14、過空間構象或化學鍵彼此發生的結合或化學反應，是蛋白質互作的主要研究對象。n而遺傳互作則是指在特殊環境下，蛋白或其編碼基因受到其他蛋白質或基因影響，常常表現為表型變化之間的相互關系。六、蛋白質互作檢測技術n早期的蛋白質互作檢測工作主要基于免疫共沉淀技術（co-immunoprecipitation）。近些年來，一些高通量的檢測技術應用于檢測蛋白質間的相互作用關系（蛋白質互作）。n其中較為常用的技術有酵母雙雜交（Yeast Two Hybrid，Y2H）技術和串聯親和純化-質譜分析（Tandem Affinity Purification - Mass Spectrometry，TAP-MS）技術

15、。六、蛋白質互作檢測技術n1.免疫共沉淀技術n2.酵母雙雜交技術n3.串聯親和純化-質譜分析技術 n4.蛋白質互作預測技術 n5.遺傳互作檢測技術 七、蛋白質互作數據庫n目前，已經有大量蛋白質互作數據信息存儲在公共數據庫中，提供了大量的蛋白質相互作用信息，其中包括BIND數據庫、DIP數據庫、MIPS數據庫和GRID數據庫等等。從這些數據庫中，可以得到不同物種的蛋白質互作信息及其實驗證據。DatabaseIntrodutionBIND:http:/bind.ca/。生物分子對象網絡數據庫（Biomolecular Object Network Databank）中最重要的組成部分之一。主要記錄

16、蛋白質互作在內的生物分子間的相互作用信息，并將其中的信息分為經過人工檢查的可信信息和高通量數據信息。用戶可以通過網絡工具查詢互作信息也可以將互作信息下載到本地進行處理.DIP:/。專門存儲蛋白質相互作用信息的數據庫。該數據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據。該數據庫可以按照不同的物種選擇下載不同格式的蛋白質互作信息。用戶可以通過網絡工具查詢互作信息也可以將互作信息下載到本地進行處理MIPS:http:/www.helmholtz-muenchen.de/en/mips/跨物種的綜合性數據庫，包含多種數據庫信息。其中的CYGD數據庫提供了比較完整酵母蛋白質互作信息。而MIPS哺乳動物數據庫MPPI則提供了經過人工檢查的哺乳動物蛋白質互作信息。用戶可以通過網絡工具查詢互作信息也可以將互作信息下載到本地進行處理BioGrid:/。一個包含多物種蛋白質互作信息的數