分子生物网络分析-第5章-蛋白质相互作用网络

1、第五章 蛋白质相互作用网络教 师：办公室：外语学馆412室蛋白质相互作用网络5.1概述5.2蛋白质相互作用网络研究进展5.3蛋白质相互作用网络中的模体和模块5.1概述5.1.1蛋白质5.1.2蛋白质的研究进展5.1.3蛋白质组学的研究进展5.1.1蛋白质蛋白质（protein）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。5.1.1蛋白质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

2、个蛋白质可以组成复合体来实现某一特定功能。5.1.1蛋白质蛋白质的功能很多，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5.1.1蛋白质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。5.1.1蛋白质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5.1.1蛋白质2.调节生物体的生理机能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

3、，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。5.1.1蛋白质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。5.1.1蛋白质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。5.1.1蛋白质综上所述，蛋白质参与了

4、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。5.1.2蛋白质的研究进展早在18世纪，法国化学家Antoine Fourcroy等人就已经发现蛋白质是一类独特的生物分子。1838年，瑞典化学家Jons Jakob Berzelius首先提出了蛋白质这一概念。5.1.2蛋白质的研究进展1955年，英国生物化学家Frederick Sanger首次正确地测定了一种蛋白质-胰岛素的氨基酸序列。主要结论是蛋白质胰岛素有确定的氨基酸序列，

5、认为每一种蛋白质均有一个独特的氨基酸序列，即有一个确定的化学成分。5.1.2蛋白质的研究进展5.1.2蛋白质的研究进展1958年，奥地利分子生物学家Max Ferdinand Perutz和英国生物化学及射线晶体学家John Cowdery Kendrew首次利用X射线晶体学方法，完成了原子分辨率的血红蛋白和肌红蛋白质的三维结构。1962年，他们分享了诺贝尔化学奖。5.1.2蛋白质的研究进展5.1.2蛋白质的研究进展5.1.3蛋白质组学的研究进展蛋白质组学（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白质组（prot

6、eome），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”。5.1.3蛋白质组学的研究进展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。5.1.3蛋白质组学的研究进展1994年，澳大利亚科学家Marc R.Wilkins首次提出了“蛋白质组”的概念，当时他还是博士生。1995年，担任澳大利亚政府建立的世界上第一个蛋白质组研究中心的博士后研究员。1997年，主编蛋白质组学的第一本专著蛋

7、白质组研究：功能基因组学的新前沿。5.1.3蛋白质组学的研究进展1999年，他创建了澳大利亚最大的蛋白质组系统公司Proteome Systems。开展了与蛋白质组学有关的多种科学研究，涉及心脏衰竭、肾细胞癌、肺结核等。2003年，他获得了IBM公司颁发的亚太地区公司的“年度最佳新人奖”。5.1.3蛋白质组学的研究进展蛋白质组学研究进展1995年，澳大利亚建立世界上第一个蛋白质组研究中心。1997年，第一次国际蛋白质组学会议。1998年，美国、旧金山，第二次国际蛋白质组学会议。1998年，中国科学院举办两次全国性的蛋白质组学会议。2003年，召开首届中国蛋白质组学学术大会。2004年，召开第二

8、届中国蛋白质组学学术大会。2004年，中国、北京，第三次国际蛋白质组学会议2005年，召开第三届中国蛋白质组学学术大会。2007年，韩国、首尔，第六次国际蛋白质组学会议5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展蛋白质的相互作用(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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展蛋白质之间的相互作用是非常重要的生物学功能。生命的基本过程是不同功能蛋白质在时空上有序和协同的作用；信号转导是利用蛋白质相互作用

9、将信号从细胞外部转导到细胞内部；代谢是利用蛋白质复合体或多蛋白质网络协同作用来实现。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展考虑到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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展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

10、重要问题，这被称为小规模实验。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展d：生物体内的信号转导路径、代谢路径和有关的细

11、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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展例如，基于假设邻近蛋白质具有相似性的聚类方法，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。5. 2蛋白质相互作用网络的研究进展5. 3蛋白质相互作用网络

12、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。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块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源性。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块他们研究了678个蛋白质，且在五个其他物种中都分别具有一个直系同

13、源蛋白。五个物种：拟南芥、果蝇、小鼠、线虫和人。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块分析结果发现，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。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块研究还发现，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。5. 3蛋白质相

14、互作用网络中的模体和模块5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块第三列：给出了模体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。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块另外，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

15、； 相反，10%的两节点模体是功能一致的。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块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。5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块5. 3蛋白质相互作用网络中的模体和模块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

16、个蛋白质复合物的。课堂小结蛋白质相互作用网络定义蛋白质相互作用网络发展蛋白质相互作用网络模体和模块5.4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Michael P.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。5.4估算人类蛋白质相互作用的规模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

17、，它大约比线虫大3倍，比果蝇大一个数量级。5.4估算人类蛋白质相互作用的规模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。5.4估算人类蛋白质相互作用的规模目前，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。5.4估算人类蛋白质相互作用的规模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

18、研究。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。5.4估算人类蛋白质相互作用的规模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，将来甚至能够估计各种生物体相互作用组的规模。5.4.1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

19、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。5.4.1估算相互作用网络的规模设相互作用网络有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：5.4.1估算相互作用网络的规模设有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。5.4.1估算相互作用网络的规模假设网络GN是根据由未知参数向量描述的特征模式产生的，GS是从G

20、N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。5.4.1估算相互作用网络的规模另外，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。5.4.2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。物理互作是指蛋白间通过空间构象或化学键彼此发生的结合或化学反应，是蛋白质互作的主要研究对象。而遗传互作则是指在特殊环境下，蛋白或其编码基因受到其他蛋白质或基因影响，常常表现为表型变化之

21、间的相互关系。（一）蛋白质互作检测技术早期的蛋白质互作检测工作主要基于免疫共沉淀技术（co-immunoprecipitation）。近些年来，一些高通量的检测技术应用于检测蛋白质间的相互作用关系（蛋白质互作）。其中较为常用的技术有酵母双杂交（Yeast Two Hybrid，Y2H）技术和串联亲和纯化-质谱分析（Tandem Affinity Purification - Mass Spectrometry，TAP-MS）技术。（一）蛋白质互作检测技术1.免疫共沉淀技术2.酵母双杂交技术3.串联亲和纯化-质谱分析技术 4.蛋白质互作预测技术 5.遗传互作检测技术 （二）蛋白质互作数据库目前，已经有大量蛋白质互作数据信息存储在的公共数据库中，提供了大量的蛋白质相互作用信息，其中包括BIND数据库、DIP数据库、MIPS数据库和GRID数据库等等。从这些数据库中，可以得到不同物种的蛋白质互作信息及其实验证据。DatabaseIntrodutionBIND:http:/bind.ca/。