蛋白质结构识别：从天然折叠到诱导折叠

摘要

蛋白质通常被认为可以从信使RNA翻译而来的氨基酸无规则卷曲链自主折叠成特定的三维结构。折叠而成的蛋白称为其天然状态（或天然结构），三维结构形成的物理过程称为蛋白质天然折叠。一个正确的天然折叠构象通常是蛋白质执行功能必需的。但是，越来越多的研究证明，很多蛋白质整体或部分缺乏有序或稳定的三维结构，却依然在生物界发挥着重要的生物功能。这些蛋白或片段被称为固有无序蛋白或固有无序区域(IDPs or IDRs)，与之对应的是天然状态下有稳定结构的有序蛋白。虽然IDPs or IDRs在天然状态下不折叠，但是它们常常与结合配体后经历无序到有序转变，这个过程称为折叠与结合偶联，或诱导折叠。本论文主体主要包括四个部分:(1)首先，设计了一个整合打分函数SVR_CAF从大量计算机预测模型中识别蛋白质天然结构。SVR_CAF的有效性在几个数据集上得到验证，与其他打分函数相比，它表现出相当的识别天然结构的能力。(2)然后，从蛋白质家族结构域数据库Pfam序列中收集了一组预测为完全无序的、但是在蛋白质结构数据库PDB中有结构的结构域。对这些结构域的所有种子序列和PDB结构序列进行无序预测，结果显示同一结构域序列的预测无序都表现出多样性。进一步的研究将所有结构按照其可能的形成机制分为二硫键、离子结合、配体结合。对于同时含有单体和二聚体（多聚体）的同一蛋白，和同时结合多个配体的蛋白，比较了其结构并观察到了复合物形成和结合多个配体的结构变化。(3)其后，还特别关注了配体结合的结构域，并把它们命名为无序结合结构域。识别到无序结合结构域三种相互作用:DNA结合、无序配体结合和有序配体结合，并对每种方式进行了详细讨论。(4)最后，对一组无冗余的PDB文件进行了基于溶剂可及表面积和接触面积的无序分析，识别到更多可能包含IDPs or IDRs的蛋白复合物。举例说明了固有无序在调控蛋白质—蛋白质相互作用中的重要作用，并分析了含有三个不同蛋白的复合物配体间相互作用的多样性。总体而言，从大量计算模型中识别了有序蛋白天然折叠结构，从Pfam和PDB数据库中识别了无序蛋白或无序区域的诱导折叠结构。这两部分研究工作经历了“有序到无序”的过渡，是对序列—结构—功能传统范式内容的重要补充。

目录

声明

摘要

第一章 序言

1 课题研究背景和意义

1．1 研究背景

1．2 研究意义

2 课题的国内外发展现状

2．1 识别蛋白质天然折叠结构的方法

2．2 识别诱导折叠的固有无序蛋白结构域

2．3 识别包含诱导折叠的PDB蛋白复合物

3 本课题主要内容

第二章 SVR_CAF：一个从蛋白质非天然结构中识别蛋天然折叠结构的整合打分函数

2．1 引言

2．2 研究方法

2．2．1 数据集

2．2．2 打分函数的构建

2．2．3 基于二级结构环境的残基接触势能和CE_score

2．2．4 AAN_score

2．2．5 基于疏水性和溶剂可及表面积的快速傅里叶变换打分FFT_score

2．2．6 整合函数：SVR_CAF

2．2．7 打分函数的评估

2．3 结果

2．3．1 天然结构的识别

2．3．2 打分函数与模型质量的相关系数

2．3．3 打分函数在CASP5-8模型数据集的表现

2．4 讨论

2．4．1 SVR_CAF的验证

2．4．2 几个特殊的蛋白质

2．5 小结

第三章 固有无序Pfam结构域Ⅰ：识别与分析

3．1 引言

3．2 研究方法

3．2．1 数据集的准备

3．2．2 预测无序结构域的分类

3．2．3 多重序列比对与结构比对

3．3 结果

3．3．1 候选无序结构域

3．3．2 种子序列的平均预测无序比例

3．3．3 候选无序结构域序列相似性与预测无序的关系

3．3．4 蛋白质结构的平均预测无序

3．3．5 同一蛋白质结构域的晶体结构预测无序的多样性

3．3．6 复合物形成的结构柔性

3．3．7 结合不同配体的结构柔性

3．4 讨论

3．4．1 同一蛋白质结构域的种子序列与结构序列均表现出多样的预测无序

3．4．2 预测为无序结构域的可能折叠原因

3．4．3 意料之外：球蛋白结构域的出现

3．5 小结

第四章 固有无序Pfam结构域Ⅱ：结合相互作用

4．1 引言

4．2 研究方法

4．3 结果

4．3．1 无序结合结构域的长度

4．3．2 结合相互作用

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 PDB数据库中的固有无序蛋白质、固有无序区域

5．1 引言

5．2 数据与方法

5．2．1 数据集的选取

5．2．2 基于蛋白质三维结构的无序／有序预测

5．3 将预测为无序的结构分组

5．2．3 含有三个不同配体的蛋白质复合物

5．3 结果

5．3．1 用于分析的数据

5．3．2 方法比较

5．3．3 本研究方法找到的更多数据

5．3．4 三个不同配体复合物的相互作用

5．4 讨论

5．4．1 本章工作与第三、四章工作的区别与联系

5．4．2 界限距离和Rg／N、RIAD之间的关系

5．5 小结

第六章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间(待)发表的论文

附件

致谢