蛋白质结构预测和分子设计_1

基因组的结构和组成决定机体生理、生化过程及遗传性状。认识基因组结构和功能，是深入学习生物学、医学、农学等学科的基础。第七章基因组分析上章目录7.1基因组学概论7.2结构基因组学7.3功能基因组学7.4比较基因组学7.5基因预测7.6应用示例7.1基因组学概论基因组学是生物信息学的核心内容和基石；研究目的：获得生物基因组DNA的全部序列结构；找出各种基因在DNA上的相对位置；揭示基因在不同发育时期的表达模式；阐明相关生物物种基因结构的进化关系。研究内容：结构、功能和比较（基因组学）。首要任务：绘制出不同物种的基因组图谱，并阐明图谱中DNA序列所包括的生物学意义。本章目录下一页第七章基因组分析下一页人类基因组研究下一页动物基因组研究下一页植物基因组研究下一页微生物基因组研究7.2结构基因组学代表基因组分析的最初阶段，实质是基因组的测序和作图。1）基因组的测序原理（鸟枪法测序、克隆重叠群法测序）2）DNA分子标记技术3）基因组作图4）基因组结构中的多态性第七章基因组分析DNA杂交的分子标记技术RFLP、VNTRPCR扩增为基础的分子标记技术随机引物PCR的标记技术RAPD、AFLP特异引物的PCR标记技术STS、SSR、SSCP基于基因芯片技术分子标记技术SNP下一页功能基因组学的研究策略和内容功能基因组学的主要分析方法下一页7.3功能基因组学比较基因组学的基本原理比较基因组学的主要研究方法模式生物基因组的比较研究下一页7.4比较基因组学基因预测的方法ORF的识别CpG岛分析基因编码区调控元件的预测基因组的功能注释基因预测分析的一般步骤下一页7.5基因预测基因预测分析的一般步骤7.5基因预测获取DNA目标序列查找ORF利用BLAST进行同源性搜索进行全序列比对查找基因家族查找特异模序结构预测目标序列结构获取相关蛋白质的功能信息7.6应用示例生物信息学重要研究方向——SARS基因组及生物信息分析本节内容下一页2003年4月12日凌晨2点25分，完成第一个SARS嫌疑病原的基因组测序。加拿大BCCA基因组研究所基于Tor2冠状病毒株基因组结构分析图USCDC基于Urbani冠状病毒株基因组结构分析图中科院基因组中心基于BJ01冠状病毒株基因组结构分析图1.SARS病毒的比较基因组研究TreeforNprotein12个SARS冠状病毒分离株的种系进化树根据各SARS冠状病毒分离株与造成香港Metropole饭店疫情的SARS冠状病毒株之间的联系，它们可以被分成2类（分别称之为”局域传播类”和”全球传播类”），这两类在我们构建的世系谱上得到准确的重现，这为SARS的流行病学研究提供了辅助信息。2．治疗SARS的RNAi设计；3．SARS蛋白的结构预测和模拟最初建立在推测基础上的DNA双螺旋结构奠定了现代分子生物学及许多相关学科的基础，具有划时代的意义。对于核酸、蛋白质等生物大分子而言，其结构是行使功能的基础，故研究生物大分子结构具有十分重要的意义。随着计算机科学的发展，结构预测已成为生物大分子结构和功能研究的一种重要方法。本章将主要介绍蛋白质结构的预测。第八章蛋白质结构预测和分子设计（1）本章内容结构获取的途径：实验测定X-ray晶体衍射、NMR、圆二色谱、旋光色散等X-ray晶体衍射分析技术的相关应用三次荣获“诺贝尔奖”。缺点：难获得好的晶体。NMR的相关应用两次荣获“诺贝尔化学奖”。缺点：可解析的分子量不能超过30kDa。理论预测……8.1蛋白质结构预测8.1.1蛋白质二级结构预测8.1.2蛋白质三级结构预测8.1.3常用蛋白质分析软件包（ExPASy）的分析示例本章目录下一页第八章蛋白质结构预测和分子设计（1）（一）蛋白质二级结构的预测方法1．基于统计学的预测方法①Chou-Fasman法②GOR法③人工神经网络法④最小邻近法2．基于实验数据的预测方法①Cohen方法②Lim方法③混合方法3．蛋白质二级结构预测的策略本章内容下一页8.1.1蛋白质二级结构预测（二）蛋白质二级结构预测实例下面以SjIR-3基因编码的蛋白为例，利用NNPREDICT蛋白质二级结构神经网络预测平台对其二级结构进行预测。SjIR-3为日本血吸虫兔感染血清筛选日本血吸虫cDNA文库而得到的一个基因，其蛋白质序列如下：MNALAAEIAKNIVLAGISSLTIIDDQQVTIEDCENNFLIPHDCLGQKRSDAAVSRTQSLNPMVKLQSSEMGDLKEKIQEHNFIILITECSSTHFKQWSTVCDIVSGIDIGTKPYVICASATGLFGFVFIDLNTHECLSEXVVLKKRSASTLPPNLLQRVNRKTFNYCRLTDSLCLIANNLKNKLHAKYIPKGYFLMQILSRCSTNEAPFTLSYL本章内容下一页8.1.1蛋白质二级结构预测（二）蛋白质二级结构预测实例本章内容下一页8.1.1蛋白质二级结构预测（二）蛋白质二级结构预测实例本章内容下一页8.1.1蛋白质二级结构预测（二）蛋白质二级结构预测实例本章内容下一页8.1.1蛋白质二级结构预测（一）预测方法1．同源模建本章内容8.1.2蛋白质三级结构预测目标序列与模板序列的匹配结构保守区的确定目标蛋白质结构保守区的主链模建目标蛋白质结构非保守区的主链模建侧链模建对模建结构结构进行优化和评估（一）预测方法2．折叠识别以结构已知的蛋白质的折叠子为模板，寻找给定氨基酸序列折叠类型的方法。目前应用的折叠识别预测蛋白质结构的主要方法大多是从Bowie等提出的三维剖面(3D-profile)方法和Jones等提出的threading方法发展而来的。不足：①需要已知的蛋白质结构作为模板,在找不到模板结构的情况下难以得到成功应用。②由于蛋白质折叠模式识别受已知蛋白质折叠种类的限制，难以发现新的折叠类型。③即使能够判别出一个序列与某个结构相匹配，也难以像同源建模那样给出可靠的模型，因为当序列同源性很低时，在序列与结构的联配中难以给出准确的解。④远缘的蛋白质序列虽然可能折叠成类似的空间结构，但并不意味着它们具有相似的生物学功能。本章内容8.1.2蛋白质三级结构预测（一）预测方法3．从头预测从头预测方法从理论上讲是最为理想的方法，它不需要已知结构信息，可直接从蛋白质序列预测其空间结构，是一种理论科学与工程学相结合的方法。它主要包括：（1）分子动力学模拟（2）二级片段堆积法本章内容下一页8.1.2蛋白质三级结构预测（二）蛋白质三级结构预测实例1．蛋白质三级结构预测的工具蛋白质三级结构预测的常用工具主要有蛋白质结构预测网络平台和工具软件，包括瑞士的SwissModel、丹麦的CPH、英国的3D-PSSM等。本章内容下一页9.2.2蛋白质三级结构预测（二）蛋白质三级结构预测实例2.蛋白质三级结构预测实例以SjIR-3基因编码的蛋白质为例，利用SwissModel和3D-PSSM对其三级结构进行预测。其蛋白质序列如下：MNALAAEIAKNIVLAGISSLTIIDDQQVTIEDCENNFLIPHDCLGQKRSDAAVSRTQSLNPMVKLQSSEMGDLKEKIQEHNFIILITECSSTHFKQWSTVCDIVSGIDIGTKPYVICASATGLFGFVFIDLNTHECLSEXVVLKKRSASTLPPNLLQRVNRKTFNYCRLTDSLCLIANNLKNKLHAKYIPKGYFLMQILSRCSTNEAPFTLSYL本章内容8.1.2蛋白质三级结构预测2.蛋白质三级结构预测实例(1)3D-PSSM对SjIR-3蛋白的三级结构预测输入3D-PSSM的网址（～3dpssm/index2.html）进入3D-PSSM主页。点击左上角的“RecogniseaFold”，将E-mail及需要预测的序列填入对话框内的相应位置。点击“Submit”，即可通过E-mail方式获得预测结果。本章内容8.1.2蛋白质三级结构预测2.蛋白质三级结构预测实例(2)SwissModel对SjIR-3蛋白质三级结构预测输入SwissModel的网址（）进入SwissModel主页。点击左上角的“FirstApproachmode”，将E-mail及需要预测的序列填入对话框内的相应位置。点击“SendRequest”，即可通过E-mail方式获得预测结果。本章内容8.1.2蛋白质三级结构预测1、蛋白质理化性质分析2、蛋白质二级结构预测3、蛋白质三级结构预测本章内容下一页8.1.3常用蛋白质分析软件包的分析示例1、蛋白质理化性质分析本章内容下一页8.1.3常用蛋白质分析软件包的分析示例输入关键词atp9输入AC:P00840粘贴序列2、蛋白质二级结构预测本章内容下一页8.1.3常用蛋白质分析软件包的分析示例粘贴atp9序列3、蛋白质三级结构预测本章内容下一页8.1.3常用蛋白质分析软件包的分析示例粘贴amine序列附：蛋白质结构预测成果封面故事：控制Cl离子传导的机制Cl通道发生异常会引起家族性肌强直、Bartter氏综合症和Dent氏疾病等遗传疾病。研究人员在两种氯离子通道的高分辨(3埃)X-射线结构中发现了控制Cl离子传导的机制。Nature,2002,6869(415):287-封面故事：一个由钙控制的钾通道的晶体结构这一晶体结构揭示了该通道开启过程的机制，即与Ca2+结合的自由能被转化为蛋白质的一种构造变化。本期封面所示为，这种跨膜通道(蛋白为蓝色，钾离子为绿色)的闭合(底下)和开启(上面)构造，它们由一个正在发生作用的钾通道(绿色痕迹)这样一个单一通道记录分开。Nature,2002,6888(417):515-523封面故事：纳米尺度的DNA八面体Nature,2004,427:6974-封面故事：Clathrin蛋白的晶体结构Nature,2004,432:7017-附：蛋白质结构预测成果封面故事：菠菜光合体系-II的高分辨率晶体结构Nature,2004,428:6980-封面故事：与白内障有关的AQP0蛋白的结构Nature,2005,438:7068-附：蛋白质结构预测成果封面故事：朊病毒和淀粉体的结构（2005年6月9日出版）阿尔茨海默氏症、朊病毒疾病和其他神经退化疾病与被称为淀粉体的非溶性蛋白纤维有关。实践证明，收集形成这些蛋白的结构信息很困难。本期封面所示为由酵母朊病毒蛋白Sup35形成的一种与淀粉体相似的小纤维的“脊梁”的原子结构。为获得这一结构，Nelson等人对淀粉体的微晶体进行了X射线晶体学研究；Krishnan和Lindquist利用很多方法来研究淀粉体核心的折叠；Ritter等人确定了一种细丝菌的有感染能力的HET-s朊病毒的构造。ChristopherDobson对这么多数据能为我们提供哪些关于朊病毒和淀粉体在患病状态和健康状态中的形成情况的信息进行了思考。附：蛋白质结构预测成果本章内容封面故事：来自剑桥的研究人员获得了p53几种致癌突变体的高分辨率晶体结构，从而得以研究失活的结构基础并为设计能够挽救这种失活突变的药物提供重要信息。韩国科学家首次破译了右向B型DNA和左向Z型DNA对接部位的三维结构。他们查明右向旋转的部分和左向旋转的部分是如何连接在一起的。该研究开启能够抑制疾病相关遗传基因的新路，为通过调节与疾病有关的蛋白质进而开发新药开辟了新路，有助于治疗癌症和天花（Z型DNA一直被认为是能够调整诱发癌症的基因和天花病毒感染相关的基因）。Nature,2005,437:1183-1186附：蛋白质结构预测成果本章内容封面故事：一种细菌的神经传输物质运输分子的晶体结构Nature,2005,437:7056-封面故事：影响核小体定位的因素Nature,2006