生物信息学的概念及其发展历史课件

第八章：蛋白质组学普通高等教育“十三五”规划教材生物信息学Bioinformatics第八章：蛋白质组学普通高等教育概念蛋白质组学proteomics，是以蛋白质组为研究对象，研究细胞、组织或生物体蛋白质组成及其变化规律的科学。概念蛋白质组学proteomics，是以蛋白质组为研究对象，第一节蛋白质组学概述一、蛋白质组学的产生一切生命活动的实际实施者是蛋白质，蛋白质组学的目标是阐明蛋白质的结构、功能和蛋白质相互作用的机理第一节蛋白质组学概述一、蛋白质组学的产生一切生命活动的实际基因组学的成就基因组学，genomics，研究生物基因组和如何利用基因的一门科学。结构基因组学：全基因组测序功能基因组学：基因功能鉴定基因组学的成就基因组学，genomics，研究生物基因组和基因组学的局限基因组学推测的大量蛋白功能未知蛋白功能只能依靠同源基因分析类推和预测一个基因并不代表唯一一种蛋白一个蛋白在转录、翻译、折叠、修饰中可能有无限变化蛋白质无法PCR扩增，无法大规模自动化测序基因组学的局限基因组学推测的大量蛋白功能未知核酸和蛋白的直观对比MW：340DMW：128D70-90NTMW：30KDMW：3.9-4.5MD核酸和蛋白的直观对比MW：340DMW：128D70-90二、蛋白质组学的研究内容表达蛋白质组学

对所有蛋白质进行分离、识别和定位，构建全蛋白质表达谱功能蛋白质组学研究蛋白质的翻译后修饰、结构、定位和表达与功能间的关系，构建蛋白质功能网络1、蛋白质的分离与鉴定2、蛋白质互作或蛋白质复合体研究3、蛋白质翻译后修饰分析4、蛋白质功能鉴定研究5、蛋白质复合体整体结构分析生物信息学的概念及其发展历史课件三、蛋白质组学研究的技术手段X射线衍射冷冻电镜核磁共振质谱分析双向电泳三、蛋白质组学研究的技术手段X射线衍射第二节蛋白质的大规模分离鉴定技术一、蛋白质二维电泳-质谱技术（一）蛋白质二维电泳技术2-DESDSIEF第二节蛋白质的大规模分离鉴定技术一、蛋白质二维电泳-质谱技蛋白质的结构蛋白质是两性电解质，在不同PH下所带的电荷不同：等电聚焦IEF蛋白质的分子量和分子形状不同，电泳迁移率不同：SDS蛋白质的结构蛋白质是两性电解质，在不同PH下所带的电荷不同：2-DE数据库蛋白质分离后可建立2-DE数据库，用于鉴定和比较凝胶图像扫描图像加工斑点检测和定量凝胶配比数据分析数据呈递2-DE数据库建立2-DE数据库蛋白质分离后可建立2-DE数据库，用于鉴定和比（二）质谱技术2-DE分离的蛋白经切胶回收、酶解后进行质谱分析Edman测序：将蛋白肽链逐步化学解聚，色谱鉴定酶解下来的氨基酸，反推氨基酸序列质谱测序：将蛋白肽链打碎电离，通过测定分子碎片的荷质比，推算出氨基酸组成和序列蛋白切胶回收胰蛋白酶酶解肽段打质谱比对专家系统蛋白质数据库虚拟酶解虚拟质谱（二）质谱技术2-DE分离的蛋白经切胶回收、酶解后进行质谱分质谱原理分子电离与荷质比利用离子化的带电物体在磁场中的行为确定其分子量，利用这些质量信息对分子进行鉴定。质谱原理分子电离与荷质比利用离子化的带电物体在磁场中的行为确蛋白质谱传统硬电离方式的缺点高能电子轰击破坏化学键，产生复杂的分子碎片一个蛋白质分子硬电离后可产生10000种以上的不同的信号峰，导致数据庞杂无法分析软电离方式极强激光脉冲激发释放大分子离子（MALDI）极强电场推动大分子直接喷射（ESI）蛋白质谱传统硬电离方式的缺点高能电子轰击破坏化学键，产生复杂蛋白质谱质量分析器三重四极杆质量分析器蛋白质谱质量分析器三重四极杆质量分析器蛋白质谱数据解析：肽质量指纹谱PMF寡肽、氨基酸小分子蛋白质多肽短肽胰蛋白酶串联质谱PMF2-DE蛋白质谱数据解析：肽质量指纹谱PMF寡肽、氨基酸小分子蛋白质二、一维（二维）色谱-质谱技术（一）一维电泳（色谱）-质谱技术（HPLC-MS）1、一维SDS电泳（色谱）-质谱技术2、一维IEF电泳-质谱技术与2-DE的区别：采用自动化色谱仪分离蛋白质，不采用割胶回收的办法1.在线脱气机(G1322A/G1379A)2.四元／二元/单元泵(G1311A/G1312A/G1310A)3.自动进样器(G1313A)4.二极管阵列检测器(G1315B)5.可变波长紫外检测器（G1314A)二、一维（二维）色谱-质谱技术与2-DE的区别：采用自动化色（二）二维色谱-质谱技术（2-DE-HPLC、MS）（二）二维色谱-质谱技术（2-DE-HPLC、MS）三、荧光差异凝胶电泳技术2-DIGE目的：显示不通样品中蛋白表达的差异，寻找差异表达蛋白三、荧光差异凝胶电泳技术2-DIGE目的：显示不通样品中蛋白2-DIGE的定量原理2-DIGE的定量原理四、同位素亲和标签技术ICAT2-DIGE的不足：无法对分子量极高和极低、等电点极酸和极碱、含量极低的蛋白进行分离ICAT的改进：使用带有生物素和氘标记的ICAT标签标记蛋白分子，利用8道尔顿的分子量差实现相对定量ICAT的目的：对一对蛋白样品进行定量和比较四、同位素亲和标签技术ICAT2-DIGE的不足：ICAT的五、蛋白质芯片技术原理：与DNA芯片（DNA微阵列）的原理相类似，蛋白质芯片在固体支持物上采用了高密度的网格来固定整个蛋白质组，从而得以对特定样品中的表达蛋白进行大规模的分析。蛋白识别关系：抗原与抗体蛋白质互作DNA-蛋白质互作

用途已知蛋白的定量未知蛋白的筛选检测方法荧光扫描质谱检测五、蛋白质芯片技术原理：与DNA芯片（DNA微阵列）的原理相六、通过数据库搜索鉴定蛋白质

ExPASY—expertproteinanalysissystem是由瑞士生物信息研究中心维护的一个整合全面的蛋白质组学信息的网络服务器，提供了众多的蛋白质序列、序列特征、结构、功能注释等方面信息与分析工具，在其蛋白质组学工具中就包含了Mascot、ProFound等多种与质谱数据相关的肽段质量指纹数据分析工具。六、通过数据库搜索鉴定蛋白质第三节蛋白质的翻译后修饰蛋白质的多样性不仅仅体现在氨基酸序列的变化，还在于翻译后的修饰常见的蛋白质翻译后修饰类型磷酸化、糖基化、泛素化、乙酰化和硫酸盐化蛋白质的翻译后修饰通过改变分子大小、疏水性及蛋白质的整体构象等对蛋白质生物学功能的正常行使产生影响。第三节蛋白质的翻译后修饰蛋白质的多样性不仅仅体现在氨基酸序蛋白质翻译后修饰的鉴定方法Postmodification，PTM一、基于序列的蛋白质翻译后修饰预测二、在蛋白质组学分析中鉴定翻译后修饰翻译后修饰检测原理：修饰使蛋白分子量增加，可利用高精度的MS分析检出这个变化。糖基化修饰的鉴定：糖苷内切酶切断糖链，接质谱，比较PMF差异用凝集素直接提取含糖链肽段，接质谱蛋白质翻译后修饰的鉴定方法翻译后修饰检测原理：修饰使蛋白分子蛋白质空间构象的鉴定HDX-MS目的：了解小分子药物如何与目标蛋白质键合，以及执行表位定位原理：溶液中的氘可替换生物分子主链中的酰胺氢，位于蛋白表面的交换率高于内部，而MS会对此变化进行测量，最终获得的结果将揭示蛋白质结构的相关信息蛋白质空间构象的鉴定HDX-MS目的：了解小分子药物如何与目第四节蛋白质分选概念：除线粒体和植物叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成!然后运至细胞的特定部位，这一过程称蛋白质分选（proteinsorting），也被称为蛋白质定向转运（proteintargeting）输入细胞核：-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-输出细胞核：-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输入线粒体：+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-输入质体：+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-输入过氧化物酶体：-Ser-Lys-Leu-COO-输入内质网：+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-返回内质网：-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL）由质膜到内体：Tyr-X-X-Φ第四节蛋白质分选概念：输入细胞核：-Pro-Pro-Lys蛋白质分选的基本途径和类型门控运输跨膜运输膜泡运输信号肽转运肽蛋白质分选的基本途径和类型门控运输信号肽亚细胞定位信号预测程序SignalPTargetPPSORT亚细胞定位信号预测程序第五节蛋白质相互作用一、利用实验鉴定蛋白质互作通过实验鉴定蛋白质的相互作用主要包括遗传学方法、生物化学方法和生物物理方法，其结果可以在原子、互作双组分、互作多组分（复杂互作）及细胞水平等4个方面得到表现。第五节蛋白质相互作用一、利用实验鉴定蛋白质互作研究方法：1、酵母双杂交（Y2H）研究方法：2、双分子荧光互补BiFC2、双分子荧光互补BiFC3、免疫共沉淀Co-IP3、免疫共沉淀Co-IP二、蛋白质互作的预测蛋白质相互作用预测的生物信息学方法包括：1、基于基因组信息的方法2、基于进化关系的方法3、基于蛋白质序列的从头预测的方法4、基于蛋白质三维结构信息的方法二、蛋白质互作的预测（一）根据邻接基因进行互作蛋白的预测这个方法的依据是，在细菌基因组中，功能相关的基因紧密连锁地存在于一个特定区域，构成一个操纵子，这种基因之间的邻接关系，在物种演化过程种具有保守性，可以作为基因产物之间功能关系的指示。（一）根据邻接基因进行互作蛋白的预测这个方法的依据是，在细菌（二）根据基因、结构域融合事件进行互作蛋白的预测由于在物种演化过程中发生了基因融合事件，一个物种的两个(或多个)相互作用的蛋白，在另一个物种中融合成为一条多肽链，因而基因融合事件可以作为蛋白质功能相关或相互作用的指示。（二）根据基因、结构域融合事件进行互作蛋白的预测由于在物种演（三）根据系统发育谱进行互作蛋白的预测功能相关的(functionallyrelated)基因，在一组完全测序的基因组中预期同时存在或不存在，这种存在或不存在的模式(pattern)被称作系统发育谱；如果两个基因，它们的序列没有同源性，但它们的系统发育谱一致或相似。可以推断它们在功能上是相关的。（三）根据系统发育谱进行互作蛋白的预测功能相关的(funct（四）利用镜像树进行互作蛋白预测功能相关的蛋白质或同一个蛋白的域之间，受功能约束，其进化过程应该保持一致。通过构建和比较它们的系统发育树，如果发现树的拓扑结构显示相似性，这种相似的树被称作镜像树，那么，可以推测建树基因的功能是相关的。（四）利用镜像树进行互作蛋白预测功能相关的蛋白质或同一个蛋白（五）根据序列的同源性进行互作蛋白的预测（六）利用Domain相互作用来预测蛋白相互作用（七）利用多种方法进行互作蛋白的预测（五）根据序列的同源性进行