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蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡,上節(jié)課回顧：生物網(wǎng)絡特征,生物分子網(wǎng)絡具有稀疏性 生物分子網(wǎng)絡具scale-free性質(zhì) 生物分子網(wǎng)絡具有超小世界性 生物分子網(wǎng)絡具有層次結構 生物分子網(wǎng)絡具有度的負關聯(lián)性 生物分子網(wǎng)絡具有一定的魯棒性和適應性,1.生物分子網(wǎng)絡具有稀疏性,生物網(wǎng)絡的稀疏性的實質(zhì)： 是生物在長期進化過程中達到某種優(yōu)化的表現(xiàn)結果。,2.生物分子網(wǎng)絡具有scale-free性質(zhì),無標度網(wǎng)絡的顯著特點： 多數(shù)節(jié)點有少量連接， 少數(shù)節(jié)點有大量連接。 這種特性表明： 生物分子網(wǎng)絡擁有動態(tài)過程， 少數(shù)節(jié)點所代表的生物分子起到關鍵作用。 細胞的新陳代謝有著無標度的拓撲屬性；在代謝反應中： 多數(shù)的代謝酶解物僅參與了1個或2個反應， 而少數(shù)幾個酶解物則參與了眾多反應，發(fā)揮著代謝中樞的作用。,3.生物分子網(wǎng)絡具有超小世界性,小世界網(wǎng)絡： 是指有短的平均路徑長度 較大的平均聚類系數(shù)的網(wǎng)絡。 在細胞內(nèi)新陳代謝的研究中： 均通過3或4個反應的路徑就能夠連接多數(shù)成對的代謝物， 短的路徑長度表明，對代謝物濃度的局域擾動能夠迅速地遍及整個網(wǎng)絡。 由此可見，具有超小世界效應的網(wǎng)絡 更便于生物信息在網(wǎng)絡的節(jié)點之間得到迅速傳播。,4.生物分子網(wǎng)絡具有層次結構,生物分子網(wǎng)絡大致上分成四個層次： 節(jié)點 模體 功能模塊 網(wǎng)絡 功能模塊： 是對生物分子網(wǎng)絡中協(xié)同運作實現(xiàn)相對獨立生物功能的一組節(jié)點 模塊在生物分子網(wǎng)絡普遍存在,5. 生物分子網(wǎng)絡具有度的負關聯(lián)性,度的負關聯(lián)性； 具有度大的節(jié)點趨向于連接度小的節(jié)點的特點 在蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡中： 度非常大的蛋白質(zhì)節(jié)點不直接相連 與度比較小的蛋白質(zhì)節(jié)點相連接,6.生物分子網(wǎng)絡具有一定的魯棒性和適應性,生物分子網(wǎng)絡具有魯棒性： 即對于外界環(huán)境的變化或者內(nèi)部個體之間的不相容有著一定的承受能力，這與生物分子網(wǎng)絡無標度的拓撲性質(zhì)息息相關。擁有不同度值的節(jié)點對移除表型的影響差異很大。當移除網(wǎng)絡中的多數(shù)非關鍵節(jié)點基因時，幾乎沒有明顯的表型影響。 生物分子網(wǎng)絡也具有適應性： 當外界環(huán)境發(fā)生變化時，也表現(xiàn)出適應性，這些性質(zhì)的產(chǎn)生機制都是目前研究的重點。,9.1 蛋白質(zhì)功能,蛋白質(zhì)（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。 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(zhì)殘基可以在被翻譯后修飾而發(fā)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(zhì)的功能。 多個蛋白質(zhì)可以組成復合體來實現(xiàn)某一特定功能。,蛋白質(zhì)的功能很多，例如以下幾種最基本的生理功能： 1.組成和修復生物體 2.調(diào)節(jié)生物體的生理機能 3.運輸載體 4.供給能量,1.組成和修復生物體 蛋白質(zhì)是生物體細胞的基本構成物質(zhì)。 人體的肌肉、內(nèi)臟、皮膚、大腦、毛發(fā)、血液及骨骼等的主要成分都是蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)還可以幫助傷口血液凝固并促進其愈合。,2.調(diào)節(jié)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(zhì)，例如： 催化體內(nèi)各種生物化學反應的酶 調(diào)節(jié)機體生長、發(fā)育并行使正常生理功能的激素,抵御外來細菌和病毒的抗體及免疫類物質(zhì)，當?shù)鞍踪|(zhì)充足時，一旦需要這些抗體和免疫物質(zhì)在數(shù)小時內(nèi)就可以增加數(shù)百倍。 參與細胞的信號轉(zhuǎn)導，調(diào)控細胞的發(fā)育和凋亡，及至生物體的命運。 形成生物體的滲透壓，引發(fā)生物體的各種活動，例如肌肉的做功等。,3.運輸載體 蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)很多重要的代謝物和營養(yǎng)素的載體。 氧、脂類、維生素、礦物質(zhì)與微量元素都需要利用各種蛋白質(zhì)運輸?shù)缴矬w需要的地方。 例如，血紅蛋白質(zhì)可以輸送氧；脂蛋白可以輸送脂肪。 蛋白質(zhì)還可以充滿營養(yǎng)物質(zhì)儲備，例如植物種子中的大量蛋白質(zhì)，就是在萌發(fā)時用的儲備。,4.供給能量 由于蛋白質(zhì)中含碳、氫、氧元素，當機體需要時，可以被代謝系統(tǒng)分解，釋放出能量。,綜上所述，蛋白質(zhì)參與了生命的幾乎所有過程，例如遺傳、發(fā)育、繁殖、物質(zhì)和能量的代謝、應激等。 揭示生物體內(nèi)成千上萬種蛋白質(zhì)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(zhì)研究的核心內(nèi)容，也是當前生物科學極富挑戰(zhàn)性的研究領域之一。,9. 2 蛋白質(zhì)組學,蛋白質(zhì)組學（Proteomics）主要是大規(guī)模地研究蛋白質(zhì)的結構和功能。 定義：在一定時間內(nèi)一個細胞或一類細胞中存在的所有蛋白質(zhì)被稱為蛋白質(zhì)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(zhì)”。,蛋白質(zhì)組學是應用各種技術研究蛋白質(zhì)組的一門新興科學。 其目的是從整體的角度分析細胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組分、表達水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，揭示蛋白質(zhì)功能與細胞生命活動規(guī)律。,9. 3 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡,蛋白質(zhì)的相互作用(PPI, Protein-protein interaction)是指蛋白質(zhì)分子之間的相關性，并從生物化學、信號轉(zhuǎn)導和遺傳網(wǎng)絡的角度研究這種相關性。 將此內(nèi)容看作是一個“蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡”（PPIN）的嘗試性定義。,Protein interaction：two or more proteins (same or different) interact or form complex,人類蛋白質(zhì)組相互作用,有一些蛋白質(zhì)可以以單體的形式發(fā)揮作用，但是大部分的蛋白質(zhì)都是和伴侶分子或是與其他蛋白質(zhì)一起發(fā)揮作用的。,蛋白質(zhì)相關知識及研究蛋白質(zhì)相互作用的必要性,基因組計劃--大量的新基因不斷被發(fā)現(xiàn)，然而單純的基因組DNA序列尚不能解答許多生命問題?；蚴窍鄬o態(tài)的，而基因編碼的產(chǎn)物—蛋白質(zhì)則是動態(tài)的，具有時空性和調(diào)節(jié)性，是生物功能的主要體現(xiàn)者和執(zhí)行者。蛋白質(zhì)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(zhì)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(nèi)源的信號，通過其特有的信號途徑，調(diào)節(jié)其基因的表達，以保持其生物學特性。在這個過程中，蛋白質(zhì)占有很重要的地位，它可以調(diào)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(zhì)單體和復合物的功能，這就會涉及到蛋白質(zhì)相互作用的研究。因此，揭示蛋白質(zhì)之間的相互作用關系、建立相互作用關系的網(wǎng)絡圖，已成為蛋白質(zhì)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(zhì)相互作用的方法也就具有更為重要的意義。,蛋白質(zhì)相互作用： 通過對蛋白質(zhì)相互作用的研究，認識生命活動的基本規(guī)律。（科學） 利用蛋白質(zhì)相互作用，發(fā)展技術，用于研究生命活動的規(guī)律或應用性技術。（技術）,PPIN在許多生物過程和研究防治疾病中發(fā)揮著非常重要的作用。 PPIN的研究比基因網(wǎng)絡更為復雜和困難。 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡近年來明顯發(fā)展較快。,,蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)相互作用。 而在研究PPIN的計算方法中面臨著許多挑戰(zhàn)性問題。,運用生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,研究蛋白質(zhì)相互作用的表象與其生物學意義的關系和其中的規(guī)律 蛋白質(zhì)相互作用是一種表象，通過表象分析規(guī)律，是研究蛋白質(zhì)相互作用的核心 從“種瓜得瓜，種豆得豆”到孟德爾遺傳定律 現(xiàn)象 科學問題 研究方法和技術,,,酵母蛋白質(zhì)相互作用聯(lián)絡圖,人蛋白質(zhì)相互作用聯(lián)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(tǒng),部分,單體,在研究PPIN的計算方法中面臨著許多挑戰(zhàn)性問題。,,,a：為全面了解某一生物功能的機理，研究并確定PPIN中兩個節(jié)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(guī)模實驗。,b：研究PPIN的拓撲結構和規(guī)模，對于了解該網(wǎng)絡的全局性能是非常重要的。,c：研究PPIN中蛋白質(zhì)復合體是至關重要的。一些蛋白質(zhì)可與其他多個蛋白質(zhì)結合組成蛋白質(zhì)復合體。通常這些復合體可以組成一個穩(wěn)定的單位，在一定時間內(nèi)不會發(fā)生重大變化。但也有另一些高度動態(tài)變化的復合體可導致細胞狀態(tài)和功能的改變。,c：蛋白質(zhì)復合體的形態(tài)可轉(zhuǎn)化為其他不同形態(tài)，由此可以構造一種蛋白質(zhì)復合體形態(tài)演化網(wǎng)絡。,d：生物體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)導和代謝路徑中都有蛋白質(zhì)相互作用。,e：可根據(jù)蛋白質(zhì)相互作用的關系來預測蛋白質(zhì)的功能。預測蛋白質(zhì)功能是目前計算生物學的一個最重要的任務。利用數(shù)據(jù)模型和計算方法，可以直接從蛋白質(zhì)序列預測PPIN的結構、功能及其動力學機制。,例如，基于假設鄰近蛋白質(zhì)具有相似性的聚類方法，統(tǒng)計“投票”方法，全局預測方法，表達譜分析的最短距離方法，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。,,9. 4 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡中的模體和模塊,生物中的一個有趣現(xiàn)象是直系同源（orthologous）蛋白質(zhì)可以在物種的進化過程中保留生物功能。 因此，這些直系同源蛋白質(zhì)所組成的模體可以很好地揭示這些蛋白質(zhì)在特定生物功能中的作用和重要性。,為揭示蛋白質(zhì)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(zhì)相互作用網(wǎng)絡進行了分析。 分別識別了其中的兩節(jié)點、三節(jié)點和四節(jié)點的所組成的模體。 認為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。,他們研究了678個蛋白質(zhì)，且在五個其他物種中都分別具有一個直系同源蛋白。 五個物種：擬南芥、果蠅、小鼠、線蟲和人。,分析結果發(fā)現(xiàn)，不同的模體中的蛋白質(zhì)具有不同的保守率。 只有不到5%的三節(jié)點組成的線性模體其組成蛋白質(zhì)在五個物種中是完全保守的，而47%的五節(jié)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(zhì)相互作用網(wǎng)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。,研究還發(fā)現(xiàn)，大的模體更傾向于進化保守。 這些模體中的蛋白質(zhì)在其他物種中都具有直接同源蛋白。 也就是說，對于同一模體，其包含的節(jié)點和連接越多，其組成蛋白質(zhì)越保守。,第三列：給出了模體在酵母蛋白質(zhì)中相互作用中的個數(shù)； 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(shù)的比例； 第五列：給出了隨機分布的直系同源蛋白質(zhì)中所找到的模體占第三列給出模體個數(shù)的比例； 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(zhì)連接起來。 分析發(fā)現(xiàn)，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(jié)點模體，其所有的組成蛋白至少共享一個生物功能； 相反，10%的兩節(jié)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(shù)目。 對于一些特殊的生物功能，像亞細胞位置、蛋白質(zhì)命運和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運、調(diào)控和細胞運輸，只有一個或者兩個保守的模體。 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。,,網(wǎng)絡中的模體還有助于識別生物網(wǎng)絡中的重要功能模塊。 分析發(fā)現(xiàn)，全連接的模體很有可能是屬于某個蛋白質(zhì)復合物的。,9.5 估算人類蛋白質(zhì)相互作用的規(guī)模,在果蠅、線蟲和人類基因組計劃完成后，科學界發(fā)現(xiàn)基因數(shù)量并不能反映生物的復雜性。 2008年，英國倫敦帝國理工學院分子生物科學系及數(shù)學科學研究所的斯頓夫 (Michael P.H. Stumpf)等發(fā)表論文指出，PPIN網(wǎng)絡的規(guī)模與各種生物組織的復雜性有很大關系。,他們提出了一種穩(wěn)定、功能強大而且簡單的統(tǒng)計學方法，可根據(jù)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)來估算整個網(wǎng)絡的規(guī)模。 根據(jù)現(xiàn)已獲得的人類蛋白質(zhì)相互作用的大量數(shù)據(jù)，Stumpf利用此方法估算出人類PPIN的規(guī)模約為65萬，它大約比線蟲大3倍，比果蠅大一個數(shù)量級。,生物體的復雜性不僅反映在基因數(shù)量上，還與其各種相互作用數(shù)量有關。 例如，可變剪接變異、翻譯后加工等均是影響生物體復雜性的重要因素。 現(xiàn)在特別缺乏人類等各種生物體的PPIN的數(shù)據(jù)。,目前，這些數(shù)據(jù)可利用各種實驗技術及利用計算機模擬推理等方法產(chǎn)生，但是這些數(shù)據(jù)具有兩個局限性： 1.容易出現(xiàn)假陽性(false positive)和假陰性(false negative); 2.基于高度理想化和簡單的網(wǎng)絡結構。,一些研究者利用現(xiàn)有的實驗技術對酵母的PPIN進行了較全面深入的研究。 賴古伊 (Reguly)等發(fā)現(xiàn)酵母的PPIN數(shù)據(jù)幾乎完全沒有假陽性，然而大多數(shù)其他生物體的PPIN數(shù)據(jù)仍然非常缺乏。 以往的研究表明，一般來說子網(wǎng)絡與整個網(wǎng)絡有本質(zhì)上的不同特性。,然而最近有越來越多的人開始認識到網(wǎng)絡取樣及系統(tǒng)生物學數(shù)據(jù)的重要性。 Stumpf的研究表明，可以從子網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)推斷整個網(wǎng)絡的一些性能。還可以用這種方法及圖論等其他方法，根據(jù)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)來估算整個PPIN的規(guī)模，將來甚至能夠估計各種生物體相互作用組的規(guī)模。,9.5. 估算相互作用網(wǎng)絡的規(guī)模,Stumpf提出了利用子網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)估算整個相互作用網(wǎng)絡規(guī)模的新方法，并進行了大量的模擬。 對于某一特定特種的估算，使用了不同的獨立數(shù)據(jù)集合，這些數(shù)據(jù)集合是利用不同的方法產(chǎn)生，例如酵母雙雜交和串聯(lián)親和純化（TAP）標記產(chǎn)量方法。,Stumpf所估算的PPIN規(guī)模數(shù)據(jù)與實驗 和模擬結果相當符合。,設相互作用網(wǎng)絡有N個節(jié)點和MN條邊，Vn和EN分別是其節(jié)點和邊的集合。該網(wǎng)絡可以用下式表示：,設有Vn的節(jié)點子集VS，由VS構成的子網(wǎng)絡GS可用下式表示： 其中，在GS中的邊集合ES是GN邊的集合EN的子集合，這樣就可以根據(jù)現(xiàn)有子網(wǎng)絡GS的數(shù)據(jù)來預測相互作用網(wǎng)絡GN的規(guī)模。,假設網(wǎng)絡GN是根據(jù)由未知參數(shù)向量θ描述的特征模式產(chǎn)生的，GS是從GN取樣得到的子 網(wǎng)絡，則抽樣的似然概率可用下式計算：,其中，假定抽樣與網(wǎng)絡的生成模式無關。參數(shù)ρ是指普遍性的抽樣過程，不只是對獨立節(jié)點抽樣。,另外，還假設有N個節(jié)點的該網(wǎng)絡規(guī)模的數(shù)量級NN是已知的，并允許節(jié)點具有與網(wǎng)絡連線無關的附加信息（例如，蛋白質(zhì)系列的種類）。 因此，只需要利用被標記的NN個節(jié)點來計算整個網(wǎng)絡GN的總和。,9.6 蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡,蛋白質(zhì)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過空間構象或化學鍵彼此發(fā)生的結合或化學反應，是蛋白質(zhì)互作的主要研究對象。 而遺傳互作則是指在特殊環(huán)境下，蛋白或其編碼基因受到其他蛋白質(zhì)或基因影響，常常表現(xiàn)為表型變化之間的相互關系。,（一）蛋白質(zhì)互作檢測技術,早期的蛋白質(zhì)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(zhì)間的相互作用關系（蛋白質(zhì)互作）。 其中較為常用的技術有酵母雙雜交（Yeast Two Hybrid，Y2H）技術和串聯(lián)親和純化-質(zhì)譜分析（Tandem Affinity Purification - Mass Spectrometry，TAP-MS）技術。,1.免疫共沉淀技術 2.酵母雙雜交技術 3.串聯(lián)親和純化-質(zhì)譜分析技術 4.蛋白質(zhì)互作預測技術 5.遺傳互作檢測技術,（二）蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)庫,目前，已經(jīng)有大量蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)信息存儲在的公共數(shù)據(jù)庫中，提供了大量的蛋白質(zhì)相互作用信息，其中包括BIND數(shù)據(jù)庫、DIP數(shù)據(jù)庫、MIPS數(shù)據(jù)庫和GRID數(shù)據(jù)庫等等。從這些數(shù)據(jù)庫中，可以得到不同物種的蛋白質(zhì)互作信息及其實驗證據(jù)。,,（二）蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)庫,蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡是系統(tǒng)顯示蛋白質(zhì)互作信息的基本方法。將蛋白作為節(jié)點，相互作用關系作為邊，將蛋白質(zhì)組整體連接到一個系統(tǒng)網(wǎng)絡當中，一般情況下，蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡是一個規(guī)模較大的無向網(wǎng)絡。 蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡也往往是規(guī)模最大的生物分子網(wǎng)絡，常常包含數(shù)千甚至上萬個節(jié)點以及為數(shù)更多的邊。 目前蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡是被研究最充分的生物分子網(wǎng)絡之一.,