蛋白质相互作用网络

1、第九章 蛋白质相互作用网络,上节课回顾：生物网络特征,生物分子网络具有稀疏性 生物分子网络具scale-free性质 生物分子网络具有超小世界性 生物分子网络具有层次结构 生物分子网络具有度的负关联性 生物分子网络具有一定的鲁棒性和适应性,1.生物分子网络具有稀疏性,生物网络的稀疏性的实质： 是生物在长期进化过程中达到某种优化的表现结果,2.生物分子网络具有scale-free性质,无标度网络的显著特点： 多数节点有少量连接， 少数节点有大量连接。 这种特性表明： 生物分子网络拥有动态过程， 少数节点所代表的生物分子起到关键作用。 细胞的新陈代谢有着无标度的拓扑属性；在代谢反应中： 多数的代谢

2、酶解物仅参与了1个或2个反应， 而少数几个酶解物则参与了众多反应，发挥着代谢中枢的作用,3.生物分子网络具有超小世界性,小世界网络： 是指有短的平均路径长度 较大的平均聚类系数的网络。 在细胞内新陈代谢的研究中： 均通过3或4个反应的路径就能够连接多数成对的代谢物， 短的路径长度表明，对代谢物浓度的局域扰动能够迅速地遍及整个网络。 由此可见，具有超小世界效应的网络 更便于生物信息在网络的节点之间得到迅速传播,4.生物分子网络具有层次结构,生物分子网络大致上分成四个层次： 节点 模体 功能模块 网络 功能模块： 是对生物分子网络中协同运作实现相对独立生物功能的一组节点 模块在生物分子网络普遍存在

3、,5. 生物分子网络具有度的负关联性,度的负关联性； 具有度大的节点趋向于连接度小的节点的特点 在蛋白质相互作用的网络中： 度非常大的蛋白质节点不直接相连 与度比较小的蛋白质节点相连接,6.生物分子网络具有一定的鲁棒性和适应性,生物分子网络具有鲁棒性： 即对于外界环境的变化或者内部个体之间的不相容有着一定的承受能力，这与生物分子网络无标度的拓扑性质息息相关。拥有不同度值的节点对移除表型的影响差异很大。当移除网络中的多数非关键节点基因时，几乎没有明显的表型影响。 生物分子网络也具有适应性： 当外界环境发生变化时，也表现出适应性，这些性质的产生机制都是目前研究的重点,9.1 蛋白质功能,蛋白质（p

4、rotein）是一种复杂的有机化合物，也称“多肽”，它由氨基酸分子排列的线性链所构成，其氨基酸序列是由对应的基因序列（遗传密码）所确定。 除了按照遗传密码所编码的十种标准氨基酸外，在某些生物体中，遗传密码还包括其他氨基酸,蛋白质残基可以在被翻译后修饰而发生化学变化，并改变其物理、化学及生物学性能，从而改变蛋白质的功能。 多个蛋白质可以组成复合体来实现某一特定功能,蛋白质的功能很多，例如以下几种最基本的生理功能： 1.组成和修复生物体 2.调节生物体的生理机能 3.运输载体 4.供给能量,1.组成和修复生物体 蛋白质是生物体细胞的基本构成物质。 人体的肌肉、内脏、皮肤、大脑、毛发、血液及骨骼等的

5、主要成分都是蛋白质。 蛋白质还可以帮助伤口血液凝固并促进其愈合,2.调节生物体的生理机能 构成生物体差不多所有的生命活性物质，例如： 催化体内各种生物化学反应的酶 调节机体生长、发育并行使正常生理功能的激素,抵御外来细菌和病毒的抗体及免疫类物质，当蛋白质充足时，一旦需要这些抗体和免疫物质在数小时内就可以增加数百倍。 参与细胞的信号转导，调控细胞的发育和凋亡，及至生物体的命运。 形成生物体的渗透压，引发生物体的各种活动，例如肌肉的做功等,3.运输载体 蛋白质是生物体内很多重要的代谢物和营养素的载体。 氧、脂类、维生素、矿物质与微量元素都需要利用各种蛋白质运输到生物体需要的地方。 例如，血红蛋白质

6、可以输送氧；脂蛋白可以输送脂肪。 蛋白质还可以充满营养物质储备，例如植物种子中的大量蛋白质，就是在萌发时用的储备,4.供给能量 由于蛋白质中含碳、氢、氧元素，当机体需要时，可以被代谢系统分解，释放出能量,综上所述，蛋白质参与了生命的几乎所有过程，例如遗传、发育、繁殖、物质和能量的代谢、应激等。 揭示生物体内成千上万种蛋白质的具体功能及其实施功能的机制，是在21世纪后基因组时代蛋白质研究的核心内容，也是当前生物科学极富挑战性的研究领域之一,9. 2 蛋白质组学,蛋白质组学（Proteomics）主要是大规模地研究蛋白质的结构和功能。 定义：在一定时间内一个细胞或一类细胞中存在的所有蛋白质被称为蛋

7、白质组（proteome），意指proteins expressed by a genome，即一个细胞或一个组织的“基因组所表达的全部蛋白质,蛋白质组学是应用各种技术研究蛋白质组的一门新兴科学。 其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组分、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律,9. 3 蛋白质相互作用网络,蛋白质的相互作用(PPI, Protein-protein interaction)是指蛋白质分子之间的相关性，并从生物化学、信号转导和遗传网络的角度研究这种相关性。 将此内容看作是一个“蛋白质相互作用网络”（PPIN）的尝试性定义,

8、Protein interaction：two or more proteins (same or different) interact or form complex,人类蛋白质组相互作用,有一些蛋白质可以以单体的形式发挥作用，但是大部分的蛋白质都是和伴侣分子或是与其他蛋白质一起发挥作用的,蛋白质相关知识及研究蛋白质相互作用的必要性,基因组计划-大量的新基因不断被发现，然而单纯的基因组DNA序列尚不能解答许多生命问题。基因是相对静态的，而基因编码的产物蛋白质则是动态的，具有时空性和调节性，是生物功能的主要体现者和执行者。蛋白质的表达水平、存在方式以及相互作用等直接与生物功能相关。 在所有生

9、命活动中，蛋白质之间的相互作用是必不可少的，它是细胞进行一切代谢活动的基础。细胞接受外源或是内源的信号，通过其特有的信号途径，调节其基因的表达，以保持其生物学特性。在这个过程中，蛋白质占有很重要的地位，它可以调控, 介导细胞的许多生物学活性,为了更好地理解细胞的生物学活性，必须很好地理解蛋白质单体和复合物的功能，这就会涉及到蛋白质相互作用的研究。因此，揭示蛋白质之间的相互作用关系、建立相互作用关系的网络图，已成为蛋白质组学研究中的热点,也是后基因时代的难题所在。研究蛋白质相互作用的方法也就具有更为重要的意义,蛋白质相互作用： 通过对蛋白质相互作用的研究，认识生命活动的基本规律。（科学） 利用蛋

10、白质相互作用，发展技术，用于研究生命活动的规律或应用性技术。（技术,PPIN在许多生物过程和研究防治疾病中发挥着非常重要的作用。 PPIN的研究比基因网络更为复杂和困难。 蛋白质相互作用网络近年来明显发展较快,蛋白质相互作用关系的复杂性，超出任何个人或特定机构的研究能力,如何研究蛋白质相互作用,考虑到PPIN的复杂性，研究人员往往从多种方向和视角来研究某一生物所有的蛋白质相互作用。 而在研究PPIN的计算方法中面临着许多挑战性问题,运用生物信息学的方法由繁入简。研究的广度,实验分析的方法由简入繁。研究的深度,研究蛋白质相互作用的表象与其生物学意义的关系和其中的规律 蛋白质相互作用是一种表象，通

11、过表象分析规律，是研究蛋白质相互作用的核心 从“种瓜得瓜，种豆得豆”到孟德尔遗传定律 现象 科学问题 研究方法和技术,酵母蛋白质相互作用联络图,人蛋白质相互作用联络图,如此复杂的相互作用，哪些是有相关功能的？哪些是“噪音”,整体,系统,部分,单体,在研究PPIN的计算方法中面临着许多挑战性问题,a：为全面了解某一生物功能的机理，研究并确定PPIN中两个节点之间相互作用的边是需要解决的第一个重要问题，这被称为小规模实验,b：研究PPIN的拓扑结构和规模，对于了解该网络的全局性能是非常重要的,c：研究PPIN中蛋白质复合体是至关重要的。一些蛋白质可与其他多个蛋白质结合组成蛋白质复合体。通常这些复合

12、体可以组成一个稳定的单位，在一定时间内不会发生重大变化。但也有另一些高度动态变化的复合体可导致细胞状态和功能的改变,c：蛋白质复合体的形态可转化为其他不同形态，由此可以构造一种蛋白质复合体形态演化网络,d：生物体内的信号转导路径、代谢路径和有关的细胞过程是构建PPIN的骨干。要了解细胞，研究和建立上述路径模型也是至关重要的。在许多信号转导和代谢路径中都有蛋白质相互作用,e：可根据蛋白质相互作用的关系来预测蛋白质的功能。预测蛋白质功能是目前计算生物学的一个最重要的任务。利用数据模型和计算方法，可以直接从蛋白质序列预测PPIN的结构、功能及其动力学机制,例如，基于假设邻近蛋白质具有相似性的聚类方法

13、，统计“投票”方法，全局预测方法，表达谱分析的最短距离方法，概率方法，马尔可夫随机场方法和信息传递方法等各种方法,9. 4 蛋白质相互作用网络中的模体和模块,生物中的一个有趣现象是直系同源（orthologous）蛋白质可以在物种的进化过程中保留生物功能。 因此，这些直系同源蛋白质所组成的模体可以很好地揭示这些蛋白质在特定生物功能中的作用和重要性,为揭示蛋白质的进化率和它所在的模体之间的关系，研究者对酿酒酵母的蛋白质相互作用网络进行了分析。 分别识别了其中的两节点、三节点和四节点的所组成的模体。 认为如果由于进化压力来维持特定模体的话，模体中的组成蛋白应该是进化保守的并且在其他物种中具有直系同

14、源性,他们研究了678个蛋白质，且在五个其他物种中都分别具有一个直系同源蛋白。 五个物种：拟南芥、果蝇、小鼠、线虫和人,分析结果发现，不同的模体中的蛋白质具有不同的保守率。 只有不到5%的三节点组成的线性模体其组成蛋白质在五个物种中是完全保守的，而47%的五节点组成的完全连通的模体在五个物种中是完全保守的。这些结果说明直系同源蛋白在酵母蛋白质相互作用网络中不是随机分布的，而是保守模体的基本组成使得这些模体是进化保守的,研究还发现，大的模体更倾向于进化保守。 这些模体中的蛋白质在其他物种中都具有直接同源蛋白。 也就是说，对于同一模体，其包含的节点和连接越多，其组成蛋白质越保守,第三列：给出了模体

15、在酵母蛋白质中相互作用中的个数； 第四列：给出了在五个物种完全保守的模体所占原第三列给出模体个数的比例； 第五列：给出了随机分布的直系同源蛋白质中所找到的模体占第三列给出模体个数的比例； 第六列：给出的是第四列和第五列之比，如果该值越高说明了该模体越是高度保守的,另外，为研究模体中组成蛋白的功能对其进化保守的影响，研究者将模体和生物功能通过模体的组成蛋白质连接起来。 分析发现，大的模体具有很明显增加的功能一致性。例如，95%的全连通的五节点模体，其所有的组成蛋白至少共享一个生物功能； 相反，10%的两节点模体是功能一致的,对应酵母的不同生物功能，研究者在人的基因组中找到了完全进化保守的模体的类

16、型和数目。 对于一些特殊的生物功能，像亚细胞位置、蛋白质命运和转录，11个所研究模体中的每一个都是非常保守的。相反，其他一些生物功能，像转运、调控和细胞运输，只有一个或者两个保守的模体。 这些结果说明，不同的生物功能不仅和模体的特定拓扑特征有关，而且还和这些模体的不同进化速率有关,网络中的模体还有助于识别生物网络中的重要功能模块。 分析发现，全连接的模体很有可能是属于某个蛋白质复合物的,9.5 估算人类蛋白质相互作用的规模,在果蝇、线虫和人类基因组计划完成后，科学界发现基因数量并不能反映生物的复杂性。 2008年，英国伦敦帝国理工学院分子生物科学系及数学科学研究所的斯顿夫 (Michael P

17、.H. Stumpf)等发表论文指出，PPIN网络的规模与各种生物组织的复杂性有很大关系,他们提出了一种稳定、功能强大而且简单的统计学方法，可根据子网的数据来估算整个网络的规模。 根据现已获得的人类蛋白质相互作用的大量数据，Stumpf利用此方法估算出人类PPIN的规模约为65万，它大约比线虫大3倍，比果蝇大一个数量级,生物体的复杂性不仅反映在基因数量上，还与其各种相互作用数量有关。 例如，可变剪接变异、翻译后加工等均是影响生物体复杂性的重要因素。 现在特别缺乏人类等各种生物体的PPIN的数据,目前，这些数据可利用各种实验技术及利用计算机模拟推理等方法产生，但是这些数据具有两个局限性： 1.容

18、易出现假阳性(false positive)和假阴性(false negative); 2.基于高度理想化和简单的网络结构,一些研究者利用现有的实验技术对酵母的PPIN进行了较全面深入的研究。 赖古伊 (Reguly)等发现酵母的PPIN数据几乎完全没有假阳性，然而大多数其他生物体的PPIN数据仍然非常缺乏。 以往的研究表明，一般来说子网络与整个网络有本质上的不同特性,然而最近有越来越多的人开始认识到网络取样及系统生物学数据的重要性。 Stumpf的研究表明，可以从子网络的数据推断整个网络的一些性能。还可以用这种方法及图论等其他方法，根据现有的蛋白质相互作用数据来估算整个PPIN的规模，将来甚

19、至能够估计各种生物体相互作用组的规模,9.5. 估算相互作用网络的规模,Stumpf提出了利用子网络的数据估算整个相互作用网络规模的新方法，并进行了大量的模拟。 对于某一特定特种的估算，使用了不同的独立数据集合，这些数据集合是利用不同的方法产生，例如酵母双杂交和串联亲和纯化（TAP）标记产量方法,Stumpf所估算的PPIN规模数据与实验 和模拟结果相当符合,设相互作用网络有N个节点和MN条边，Vn和EN分别是其节点和边的集合。该网络可以用下式表示,设有Vn的节点子集VS，由VS构成的子网络GS可用下式表示： 其中，在GS中的边集合ES是GN边的集合EN的子集合，这样就可以根据现有子网络GS的数据来预测相互作用网络GN的规模,假设网络GN是根据由未知参数向量描述的特征模式产生的，GS是从GN取样得到的子 网络，则抽样的似然概率可用下式计算,其中，假定抽样与网络的生成模式无关。参数是指普遍性的抽样过程，不只是对独立节点抽样,另外，还假设有N个节点的该网络规模的数量级NN是已知的，并允许节点具有与网络连线无关的附加信息（例如，蛋白质系列的种类）。 因此，只需要利用被标记的NN个节点来计算整个网络GN的总和,9.6 蛋白质互作网络,蛋白质互作通常可以分为物理互作和遗传互作。物理互作