生物信息学中的蛋白质相互作用预测算法

第２９卷第２０期　

ＶＯ１．２９　ＮＯ．２０　计算机工程与设计　

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　２００８年１０月　

０ｃｔ．２００８　

蛋白质相互作用预测算法在帕金森病中的应用　

吴继宗　一，　宋安平　，　张　武　，　李　辉　

（１．上海大学计算机工程与科学学院，上海２０００７２；２．上海大学系统生物研究所，上海２００４３６）　

摘　要：对蛋白质相互作用的研究不仅能够理解生命的过程，也能为疾病治疗提供线索。通过对现有蛋白质相互作用预测　

计算方法的分析，将计算方法和生命科学相结合，在利用现有的知名生物数据库获得大量蛋白质相互作用关系数据的基础　

上，建立人类蛋白质相互作用网络，通过计算来预测可能导致帕金森病的蛋白质。在总结前人算法的基础上，利用改进的　ＡＰＭ　算法，实现了对蛋白质一级网络以及二级网络的预测工作。　

关键词：帕金森病；致病蛋白；计算方法；蛋白质相互作用网络；预测算法　

中图法分类号：ＴＰ３９９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—７０２４（２００８）２０—５３０１—０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｔｅｉｎ—ｐｒｏｔｅｉｎ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　

Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ’Ｓ　ｄｉｓｅａｓｅ　

ＷＵ　Ｊｉ—ｚｏｎｇ　，ＳＯＮＧ　Ａｎ—ｐｉｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｗｕ’，ＬＩ　Ｈｕｉ　＇　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００４３６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｏｆｐｒｏｔｅｉｎ—ｐｒｏｔｅｉｎ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ　ｉｓ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｃｌｕｅｓ　ｔｏ　ｄｉｓｅａｓｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．　Ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｉｎ－ｐｒｏｔｅｉｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｐｒｏｔｅｉｎ－ｐｒｏｔｅｉｎ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ｗｅｌｌ—ｋｎｏｗｎ　ｄａｔａｂａｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｈｕｍａｎ　ｐｒｏｔｅｉｎ－ｐｒｏｔｅｉｎ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．　

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生物信息学方法在蛋白质—蛋白质相互作用研究中的应用

作者：靳皓茹 李娟 方慧生

来源：《医学信息》2016年第07期

摘要：蛋白质在许多生命进程中起着关键作用，通过与其他蛋白质相互作用来发挥其生物学功能。因此，研究蛋白质-蛋白质相互作用对于探索生命的真谛、理解疾病相关机理，以及研究新药提升人们的健康水平具有重要的作用。随着生物信息学的不断发展，越来越多的计算方法被应用于蛋白质结构及功能的研究。其中，蛋白质-蛋白质对接，分子动力学模拟等技术在蛋白质相互作用中得到了较为广泛的应用。本文对蛋白质蛋白质对接及分子动力学模拟等生物信息学方法的基本原理，相关软件及其在蛋白质-蛋白质相互作用研究中的应用进行概述。

关键词：蛋白质-蛋白质对接；分子动力学模拟；蛋白质-蛋白质相互作用

Abstract：Proteins that play a critical role in many cellular processes often perform their

functions by interacting with other proteins. Therefore， the studies of protein-protein interactions are

vital to exploring the essence of life， understanding the mechanism of diseases and developing new

drugs to improve human health. With the sustained development of bioinformatics， more and more

computational methods have been applied to structural and functional research of proteins. Protein-protein docking and molecular dynamics simulation are both widely applied to the studies of protein-protein interactions. This article reviews the theory of computational methods， softwares and the

1202班 韩恺 1230170062

蛋白质结构预测中的生物信息学

一种生物体的基因组规定了所有构成该生物体的蛋白质，基因规定了组成蛋白质的氨基酸序列。虽然蛋白质由氨基酸的线性序列组成，但是，它们只有折叠成特定的空间构象才能具有相应的活性和相应的生物学功能。了解蛋白质的空间结构不仅有利于认识蛋白质的功能，也有利于认识蛋白质是如何执行其功能的。确定蛋白质的结构对于生物学研究是非常重要的。目前，蛋白质序列数据库的数据积累的速度非常快，但是，已知结构的蛋白质相对比较少。尽管蛋白质结构测定技术有了较为显著的进展，但是，通过实验方法确定蛋白质结构的过程仍然非常复杂，代价较高。因此，实验测定的蛋白质结构比已知的蛋白质序列要少得多。另一方面，随着DNA测序技术的发展，人类基因组及更多的模式生物基因组已经或将要被完全测序，DNA序列数量将会急增，而由于DNA序列分析技术和基因识别方法的进步，我们可以从DNA推导出大量的蛋白质序列。这意味着已知序列的蛋白质数量和已测定结构的蛋白质数量（如蛋白质结构数据库PDB中的数据）的差距将会越来越大。人们希望产生蛋白质结构的速度能够跟上产生蛋白质序列的速度，或者减小两者的差距。那么如何缩小这种差距呢？我们不能完全依赖现有的结构测定技术，需要发展理论分析方法，这对蛋白质结构预测提出了极大的挑战。20世纪60年代后期，Anfinsen首先发现去折叠蛋白或者说变性(denatured)蛋白质在允许重新折叠的实验条件下可以重新折叠到原来的结构，这种天然结构(native structure)对于蛋白质行使生物功能具有重要作用，大多数蛋白质只有在折叠成其天然结构的时候才能具有完全的生物活性。自从Anfinsen提出蛋白质折叠的信息隐含在蛋白质的一级结构中，科学家们对蛋白质结构的预测进行了大量的研究，分子生物学家将有可能直接运用适当的算法，从氨基酸序列出发，预测蛋白质的结构。

基因是生命的蓝图，蛋白质是生命的机器。来自于四种字符字母表（A，T（U），C，G）的核酸序列中蕴藏着生命的信息，而蛋白质则执行着生物体内各种重要的工作，如生物化学反应的催化、营养物质的输运、生长和分化控制、生物信号的识别和传递等。蛋白质序列由相应的核酸序列所决定，通过对基因的转录和翻译，将原来四字符的DNA序列，根据三联密码规则翻译成20字符的蛋白质氨基酸序列。

生物信息学中的蛋白质相互作用网络分析

随着科学技术的发展，蛋白质相互作用网络分析在生物信息学中变得越来越重要。蛋白质相互作用是指两个或多个蛋白质之间的相互作用或联系，包括物理和化学作用。这些联系构成了蛋白质相互作用网络。这种网络分析帮助我们理解蛋白质以及它们如何相互作用，可以帮助我们研究疾病的发生、转化和治疗。

1. 什么是蛋白质相互作用网络？

蛋白质相互作用指的是蛋白质之间发生的物理和化学作用。这些作用可能包括电子转移、共价键形成、非共价键交互、离子对交互等。这种相互作用产生的连接构成了蛋白质相互作用网络。

蛋白质相互作用网络可以通过大量实验来得到。在以往，科学家们通常通过双杂交实验来鉴定蛋白质之间的相互作用。现在，通过大规模基因鉴定系统（例如文献库筛选、肽阵列分析）和基因组学技术，我们可以更轻松地得到蛋白质相互作用网络。

2. 如何分析蛋白质相互作用？

蛋白质相互作用网络分析可以提供有关蛋白质相互作用的信息，从而对生物学问题提供更深入的理解。在进行分析之前，需要先对蛋白质相互作用网络进行建模和描述。

建模需要考虑网络的拓扑结构，例如网络中包含的节点数、边数、连通性等。描述需要确定网络中每个节点的性质以及节点间的联系或权重。通过这些步骤，我们可以建立一个完整的蛋白质相互作用网络。

接下来，可以通过以下的分析方法来深入理解蛋白质相互作用：

（1）模块化分析：模块化分析是将大型网络分解为更小的结构单元，称为模块。通过这种方法可以发现蛋白质相互作用对于整个网络的重要性。

（2）关键蛋白质鉴定：关键蛋白质是指网络中最为重要的节点。这些节点在整个网络中连接着大量的节点，是网络的核心。通过这种方法可以确定对于生物系统具有特定功能的蛋白质。

（3）功能注释：功能注释是根据已知信息对网络中的蛋白质进行分析和注释。这种方法可以提供对网络中蛋白质的生物功能、通路、关系等方面进行了解的方法。

3. 蛋白质相互作用网络在生物学中的应用