最新第九章 蛋白质相互作用网络
第九章-蛋白质相互作用网络
1.组成和修复生物体 蛋白质是生物体细胞的基本构成物质。 人体的肌肉、内脏、皮肤、大脑、毛发、血液及骨 骼等的主要成分都是蛋白质。 蛋白质还可以帮助伤口血液凝固并促进其愈合。
2.调节生物体的生理机能 构成生物体差不多所有的生命活性物质，例如：
催化体内各种生物化学反应的酶 调节机体生长、发育并行使正常生理功能的激素
认为如果由于进化压力来维持特定模体的话，模体中的 组成蛋白应该是进化保守的并且在其他物种中具有直系 同源性。
他们研究了678个蛋白质，且在五个其他物种中都分别 具有一个直系同源蛋白。
五个物种：拟南芥、果蝇、小鼠、线虫和人。
分析结果发现，不同的模体中的蛋白质具有不同的保守率。
只有不到5%的三节点组成的线性模体其组成蛋白质在五个物种 中是完全保守的，而47%的五节点组成的完全连通的模体在五个 物种中是完全保守的。这些结果说明直系同源蛋白在酵母蛋白质 相互作用网络中不是随机分布的，而是保守模体的基本组成使得 这些模体是进化保守的。
蛋白质相互作用：
1. 通过对蛋白质相互作用的研究，认识生命活动的 基本规律。（科学）
2. 利用蛋白质相互作用，发展技术，用于研究生命 活动的规律或应用性技术。（技术）
蛋白相互作用网络
PPIN在许多生物过程和研究防治疾病中发挥着非常重要 的作用。
PPIN的研究比基因网络更为复杂和困难。 蛋白质相互作用网络近年来明显发展较快。
综上所述，蛋白质参与了生命的几乎所有过程，例如遗 传、发育、繁殖、物质和能量的代谢、应激等。
揭示生物体内成千上万种蛋白质的具体功能及其实施功 能的机制，是在21世纪后基因组时代蛋白质研究的核心 内容，也是当前生物科学极富挑战性的研究领域之一。
二、蛋白质组学
蛋白质相互作用网络构建及功能分析
蛋白质相互作用网络构建及功能分析概述在细胞内，蛋白质通过相互作用形成复杂的网络，这些相互作用对于维持细胞内的正常功能起着至关重要的作用。
蛋白质相互作用网络的构建与功能分析有助于揭示蛋白质相互作用所涉及的生物过程、信号传导通路以及相关疾病，为生命科学的研究提供重要参考。
蛋白质相互作用网络的构建蛋白质相互作用网络的构建是通过捕捉和分析蛋白质之间的物理相互作用来实现的。
目前，常用的构建方法有两种：实验方法和计算机预测方法。
实验方法是通过生化实验来检测和验证蛋白质相互作用。
常见的实验方法包括：酵母双杂交法、共免疫共沉淀法、质谱技术等。
酵母双杂交法是最早被广泛应用的一种方法，通过融合蛋白质与转录激活域，通过转录激活蛋白质的表达来识别相互作用蛋白质。
共免疫共沉淀法则是利用抗体对特定蛋白质进行免疫沉淀，从而寻找与之相互作用的蛋白质。
质谱技术则通过分析蛋白质的质量和序列来确定相互作用蛋白质。
计算机预测方法是通过计算机算法对蛋白质序列或结构进行分析，预测蛋白质之间的相互作用。
常见的计算方法包括：序列相似性法、结构相似性法、基于功能模块的预测法等。
序列相似性法通过比对蛋白质序列之间的相似性来判断其是否存在相互作用关系。
结构相似性法则是通过比对蛋白质结构之间的相似性来预测其相互作用。
基于功能模块的预测法则是通过分析蛋白质功能模块之间的关联性来预测蛋白质相互作用。
蛋白质相互作用网络的功能分析蛋白质相互作用网络的功能分析主要包括网络结构分析和功能模块分析。
网络结构分析是通过对蛋白质相互作用网络的拓扑结构进行分析，揭示网络中重要的节点、模块和通路等。
常用的网络结构分析方法包括：节点中心性分析、模块检测和网络比对等。
节点中心性分析是通过计算节点在网络中的重要性指标来筛选出网络中的关键节点。
模块检测则是将网络分为多个相互作用紧密的子网，以揭示网络中的功能模块。
网络比对则是将不同物种或不同条件下的蛋白质相互作用网络进行比较，以揭示网络结构的共性和差异。
蛋白质相互作用网络构建与分析方法研究
蛋白质相互作用网络构建与分析方法研究蛋白质相互作用网络是研究蛋白质相互作用关系的一种重要方法。
它能够帮助我们理解蛋白质在生物体内的功能及其相互作用方式。
本文将介绍蛋白质相互作用网络构建与分析的一些常用方法，并探讨其在生物学研究中的应用。
一、蛋白质相互作用网络构建方法1. 两亲性亲和纯化（TAP）方法TAP方法是一种常用的蛋白质相互作用筛选技术。
它通过标记蛋白质并与其相互作用的蛋白质一起纯化，从而实现筛选出相互作用的蛋白质。
纯化后的蛋白质可以通过质谱分析等方法进行鉴定和分析。
2. 酵母双杂交方法酵母双杂交方法可用于筛选出与目标蛋白质相互作用的蛋白质。
该方法基于转录因子和其识别序列之间的相互作用，通过构建酵母基因表达库和靶基因表达库，并将它们进行杂交筛选，最终确定相互作用蛋白。
3. 共免疫沉淀法共免疫沉淀法是一种依赖于抗体的技术，它通过特异性抗体对目标蛋白进行标记，然后与其相互作用的蛋白质一起进行免疫沉淀。
沉淀物中的蛋白质可以通过质谱分析等方法进行检测和鉴定。
二、蛋白质相互作用网络分析方法1. 图论分析蛋白质相互作用网络可以转化为图论中的图模型，从而利用图论分析方法进行分析。
常用的图论分析方法有最短路径分析、网络中心性分析、社团检测等。
这些方法可以帮助我们了解相互作用网络的整体结构和功能模块等。
2. 功能富集分析功能富集分析是通过对蛋白质相互作用网络中的若干蛋白质进行功能注释，从而了解相互作用网络中具有特定功能的模块。
常用的功能富集分析方法包括基因本体论分析、KEGG通路分析等。
3. 生物信息学分析生物信息学分析可以应用于蛋白质相互作用网络的研究中。
比如，可以利用序列同源性、结构域信息等进行蛋白质的功能注释和亚细胞定位的预测。
三、蛋白质相互作用网络的应用1. 生物学研究蛋白质相互作用网络可以帮助我们理解蛋白质在细胞内的相互作用关系，从而揭示生物体内复杂的生物学过程。
比如，可以研究蛋白质信号传导途径、基因调控网络等。
蛋白质相互作用网络构建和分析方法
蛋白质相互作用网络构建和分析方法蛋白质相互作用是细胞内发生的一种重要的分子级相互作用，它在细胞的信号传导、代谢调节、基因转录和疾病发生等多个生物学过程中扮演着关键角色。
蛋白质相互作用网络是描述蛋白质间相互作用关系的图形化数据模型，它有助于我们理解蛋白质功能、预测未知蛋白质间相互作用以及揭示疾病相关基因网络的特征。
本文将介绍蛋白质相互作用网络的构建和分析方法。
蛋白质相互作用网络的构建通常包括两个步骤：第一步是蛋白质相互作用实验的数据采集，第二步是数据处理和网络构建。
蛋白质相互作用实验有多种技术可供选择，包括酵母双杂交、质谱分析、蛋白质芯片等。
其中，酵母双杂交是最常用的实验方法之一。
它通过将目标蛋白质与酵母菌中的转录因子结合，观察酵母生长情况来判断是否存在蛋白质相互作用。
此外，质谱分析也被广泛应用于蛋白质相互作用研究中。
质谱分析能够通过检测蛋白质之间的物理交互作用来鉴定蛋白质相互作用对，其优势在于可以检测全细胞水平的蛋白质相互作用。
不同的方法有不同的检测原理和适用范围，研究者可以根据具体的研究目的选择合适的实验方法。
数据处理和网络构建是蛋白质相互作用网络构建的关键步骤。
首先，蛋白质相互作用实验得到的原始数据需要进行质控和过滤，去除假阳性和假阴性的结果。
然后，通过建立蛋白质相互作用矩阵来表示蛋白质之间的相互作用关系。
这个矩阵可以使用邻接矩阵来表示，其中每个元素表示不同蛋白质之间的相互作用情况，0代表无相互作用，1代表有相互作用。
最后，通过将相互作用关系抽象成节点和边的形式，构建蛋白质相互作用网络图。
蛋白质相互作用网络的分析可以帮助我们揭示网络的特征和功能。
常用的蛋白质相互作用网络分析方法包括网络节点中心性分析、功能模块发现和生态系统级功能分析。
网络节点中心性分析是衡量网络节点重要性的一种方法。
常用的节点中心性指标包括度中心性、介数中心性和接近中心性。
度中心性是指网络中节点的连接数，即节点与其他节点相互作用的数量。
第九章蛋白质相互作用网络4
抵御外来细菌和病毒的抗体及免疫类物质， 当蛋白质充足时，一旦需要这些抗体和免疫 物质在数小时内就可以增加数百倍。
参与细胞的信号转导，调控细胞的发育和凋 亡，及至生物体的命运。
形成生物体的渗透压，引发生物体的各种活 动，例如肌肉的做功等。
3.运输载体
蛋白质是生物体内很多重要的代谢物和营养素的载 体。
蛋白质相互作用：
1. 通过对蛋白质相互作用的研究，认识生命 活动的基本规律。（科学）
2. 利用蛋白质相互作用，发展技术，用于研 究生命活动的规律或应用性技术。（技术）
PPIN在许多生物过程和研究防治疾病中发挥 着非常重要的作用。
PPIN的研究比基因网络更为复杂和困难。 蛋白质相互作用网络近年来明显发展较快。
蛋白质相关知识及研究蛋白质相 互作用的必要性
有一些蛋白质可以以单体的形式发挥 作用，但是大部分的蛋白质都是和 伴侣分子或是与其他蛋白质一起发 挥作用的。
人类蛋白质组相互作用
基因组计划--大量的新基因不断被发现，然而单纯的 基因组DNA序列尚不能解答许多生命问题。基因是相对静 态的，而基因编码的产物—蛋白质则是动态的，具有时空 性和调节性，是生物功能的主要体现者和执行者。蛋白质 的表达水平、存在方式以及相互作用等直接与生物功能相 关。
他们研究了678个蛋白质，且在五个其他物 种中都分别具有一个直系同源蛋白。
五个物种：拟南芥、果蝇、小鼠、线虫和 人。
分析结果发现，不同的模体中的蛋白质具有不同 的保守率。
只有不到5%的三节点组成的线性模体其组成蛋白 质在五个物种中是完全保守的，而47%的五节点 组成的完全连通的模体在五个物种中是完全保守 的。这些结果说明直系同源蛋白在酵母蛋白质相 互作用网络中不是随机分布的，而是保守模体的 基本组成使得这些模体是进化保守的。
蛋白质相互作用网络中关键节点的富集分析
蛋白质相互作用网络中关键节点的富集分析一、蛋白质相互作用网络概述蛋白质是生命体中不可或缺的分子，它们在细胞中扮演着多种角色，包括催化生化反应、传递信号、提供结构支持等。
蛋白质的功能往往不是孤立的，而是通过与其他蛋白质相互作用来实现复杂的生物学功能。
蛋白质相互作用网络（Protein-Protein Interaction, PPI）是由蛋白质之间的物理或功能联系构成的复杂网络。
这些网络不仅对细胞的正常生理功能至关重要，而且与许多疾病的发生发展密切相关。
1.1 蛋白质相互作用网络的构建构建蛋白质相互作用网络的第一步是识别蛋白质之间的相互作用。
这可以通过实验方法如酵母双杂交、共免疫沉淀等实现，也可以通过生物信息学预测方法获得。
一旦确定了蛋白质间的相互作用，就可以将这些信息可视化为网络，其中蛋白质作为节点，相互作用作为边。
1.2 蛋白质相互作用网络的分析对PPI网络的分析可以揭示蛋白质的功能和调控机制。
常见的分析方法包括网络拓扑分析、模块识别、路径分析等。
网络拓扑分析关注网络的结构特征，如节点的度分布、聚类系数等。
模块识别旨在发现网络中的密集连接的子网络，这些子网络可能对应于特定的生物学过程或功能。
路径分析则关注蛋白质间的相互作用路径，这对于理解信号传导和代谢途径至关重要。
二、关键节点的识别与功能在蛋白质相互作用网络中，并非所有节点都具有相同的生物学重要性。
一些节点因其在网络中的位置或与其他节点的连接数量而显得尤为重要，这些节点被称为关键节点。
关键节点的识别对于理解网络的稳定性和功能至关重要。
2.1 关键节点的识别方法识别关键节点的方法多种多样，包括度中心性分析、介数中心性分析、接近中心性分析等。
度中心性高的节点拥有更多的直接相互作用伙伴，而介数中心性高的节点则在网络中扮演着“桥梁”的角色，连接不同的模块。
接近中心性则反映了节点到网络中其他所有节点的平均距离。
2.2 关键节点的生物学意义关键节点往往与疾病的发生发展密切相关。
蛋白质相互作用的网络构建与分析
蛋白质相互作用的网络构建与分析咱们先来说说啥是蛋白质相互作用。
这就好比在一个超级大的“生物派对”里，蛋白质们可不是自己玩自己的，它们之间会互相交流、合作，甚至有时候还会“闹别扭”。
比如说，有一次我在实验室里观察细胞的活动，就发现了一个有趣的现象。
当时我正在研究一种特定的蛋白质，我们就叫它“小A”吧。
我发现小 A 总是和另一种蛋白质“小B”黏在一起，就像两个形影不离的好朋友。
我好奇啊，这俩为啥这么亲密？于是我开始各种实验和分析。
这就引出了咱们今天的主题——蛋白质相互作用的网络构建与分析。
要搞清楚这个网络，咱们得先有办法把这些蛋白质之间的关系给找出来。
这就像是在一个混乱的派对中，找出谁和谁在聊天，谁和谁在跳舞合作一样。
科学家们用了各种各样的高招。
有一种方法叫“酵母双杂交”。
这名字听起来挺怪的，其实就是利用酵母这种小小的生物来帮忙。
把要研究的蛋白质分别放到酵母里面，如果它们能相互作用，酵母就能活下来或者发出特定的信号，就好像是蛋白质在跟我们说：“嘿，我们有关系哦！”还有一种叫“免疫共沉淀”的方法。
想象一下，有一堆蛋白质在一个大缸里，我们用一个特殊的“渔网”，专门捞那些相互作用的蛋白质。
捞上来之后，再看看网里都有谁，就能知道它们之间的关系啦。
当我们通过这些方法找到了蛋白质之间的相互作用，接下来就得把这些关系像织网一样给构建起来。
这张网可复杂了，每个节点就是一种蛋白质，而连线就是它们之间的相互作用。
构建好这张网只是第一步，更重要的是分析它。
比如说，我们要看哪些蛋白质是网络中的“关键人物”，就像派对里的组织者，没有他们派对可能就乱套了。
这些关键蛋白质要是出了问题，可能会导致一系列的疾病。
再比如，我们还能通过分析网络，发现新的药物靶点。
就好像找到了派对上捣乱的家伙，然后专门针对他们来采取措施，让整个“生物派对”恢复正常。
在研究的过程中，也不是一帆风顺的。
有时候实验结果不清晰，让人摸不着头脑；有时候分析出来的结果和预期的完全不一样，让人又得从头再来。
计算生物学中的蛋白质相互作用网络：探索蛋白质相互作用网络的构建、分析与在疾病研究中的应用
计算生物学中的蛋白质相互作用网络：探索蛋白质相互作用网络的构建、分析与在疾病研究中的应用摘要蛋白质相互作用网络（Protein-Protein Interaction Networks，PPINs）在系统生物学和疾病研究中扮演着至关重要的角色。
本文深入探讨了蛋白质相互作用网络的构建、分析方法及其在疾病研究中的应用。
通过分析蛋白质相互作用数据的来源、网络构建算法、拓扑结构分析和功能模块识别等关键技术，本文旨在揭示蛋白质相互作用网络在疾病发生、发展和治疗中的作用机制，为疾病研究和药物开发提供新的思路和方法。
引言蛋白质是生命活动的主要执行者，其功能的实现往往依赖于与其他蛋白质的相互作用。
蛋白质相互作用网络（PPINs）通过节点代表蛋白质，边代表蛋白质之间的相互作用，直观地展示了蛋白质之间的复杂关系。
蛋白质相互作用网络的构建和分析，为我们理解细胞信号通路、基因调控网络、疾病发生机制等提供了重要的工具。
蛋白质相互作用数据的来源1. 高通量实验技术：酵母双杂交（Y2H）、亲和纯化质谱（AP-MS）、蛋白质微阵列等高通量实验技术可以大规模地检测蛋白质之间的相互作用，为构建蛋白质相互作用网络提供了丰富的数据。
2. 文献挖掘：通过文本挖掘技术，从生物医学文献中提取蛋白质相互作用信息，为构建蛋白质相互作用网络提供了补充。
3. 计算预测：利用蛋白质序列、结构、功能等信息，通过机器学习、深度学习等方法预测蛋白质之间的相互作用。
蛋白质相互作用网络的构建1. 二元相互作用网络：最简单的蛋白质相互作用网络，只考虑蛋白质之间的直接相互作用。
2. 复合物相互作用网络：考虑蛋白质复合物之间的相互作用，可以更全面地反映蛋白质之间的关系。
3. 动态相互作用网络：考虑蛋白质相互作用的时空动态变化，更准确地反映细胞内蛋白质相互作用的真实情况。
4. 多层相互作用网络：整合蛋白质相互作用、基因调控、代谢通路等多层次信息，构建更全面的生物分子网络。
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三、蛋白质相互作用网络
蛋白质的相互作用(PPI, Protein-protein interaction)是指蛋白质分子之间的相关性 ，并从生物化学、信号转导和遗传网络的 角度研究这种相关性。
将此内容看作是一个“蛋白质相互作用网络 ”（PPIN）的尝试性定义。
Protein interaction：two or more proteins (same or different) interact or form complex
定义：在一定时间内一个细胞或一类细胞 中存在的所有蛋白质被称为蛋白质组（ proteome），意指proteins expressed by a genome，即一个细胞或一个组织的“ 基因组所表达的全部蛋白质”。
二、蛋白质组学
蛋白质组学是应用各种技术研究蛋白质组 的一门新兴科学。
其目的是从整体的角度分析细胞内动态变 化的蛋白质组分、表达水平与修饰状态， 了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示 蛋白质功能与细胞生命活动规律。
如此复杂的相互作用，哪些是有相关功能的？哪些 是“噪音”？
整体
系统
单体
部分
在研究PPIN的计算方法中面临着许多 挑战性问题。
a：为全面了解某一生物功能的机理，研究 并确定PPIN中两个节点之间相互作用的边 是需要解决的第一个重要问题，这被称为 小规于了 解该网络的全局性能 是非常重要的。
在所有生命活动中，蛋白质之间的相互作用是必不可少 的，它是细胞进行一切代谢活动的基础。细胞接受外源或 是内源的信号，通过其特有的信号途径，调节其基因的表 达，以保持其生物学特性。在这个过程中，蛋白质占有很 重要的地位，它可以调控, 介导细胞的许多生物学活性。
为了更好地理解细胞的生物学活性， 必须很好地理解蛋白质单体和复合物 的功能，这就会涉及到蛋白质相互作 用的研究。因此，揭示蛋白质之间的 相互作用关系、建立相互作用关系的 网络图，已成为蛋白质组学研究中的 热点,也是后基因时代的难题所在。研 究蛋白质相互作用的方法也就具有更 为重要的意义。
1.组成和修复生物体 蛋白质是生物体细胞的基本构成物质。 人体的肌肉、内脏、皮肤、大脑、毛 发、血液及骨骼等的主要成分都是蛋 白质。 蛋白质还可以帮助伤口血液凝固并促 进其愈合。
2.调节生物体的生理机能 构成生物体差不多所有的生命活性物质，例
如： 催化体内各种生物化学反应的酶 调节机体生长、发育并行使正常生理 功能的激素
抵御外来细菌和病毒的抗体及免疫类 物质，当蛋白质充足时，一旦需要这 些抗体和免疫物质在数小时内就可以 增加数百倍。
参与细胞的信号转导，调控细胞的发 育和凋亡，乃至生物体的命运。
形成生物体的渗透压，引发生物体的 各种活动，例如肌肉的做功等。
3.运输载体
蛋白质是生物体内很多重要的代谢物和营养 素的载体。
蛋白质相关知识及研究蛋白质相 互作用的必要性
有一些蛋白质可以以单体的形式发挥 作用，但是大部分的蛋白质都是和 伴侣分子或是与其他蛋白质一起发 挥作用的。
人类蛋白质组
基因组计划--大量的新基因不断被发现，然而单纯的基因 组DNA序列尚不能解答许多生命问题。基因是相对静态 的，而基因编码的产物—蛋白质则是动态的，具有时空性 和调节性，是生物功能的主要体现者和执行者。蛋白质的 表达水平、存在方式以及相互作用等直接与生物功能相关。
氧、脂类、维生素、矿物质与微量元素都需 要利用各种蛋白质运输到生物体需要的地方。
例如，血红蛋白质可以输送氧；脂蛋白可以 输送脂肪。
蛋白质还可以充当营养物质储备，例如植物 种子中的大量蛋白质，就是在萌发时用的储 备。
4.供给能量
由于蛋白质中含碳、氢、氧元素，当机体 需要时，可以被代谢系统分解，释放出能 量。
c：研究PPIN中蛋白质复合 体是至关重要的。一些蛋白 质可与其他多个蛋白质结合 组成蛋白质复合体。通常这 些复合体可以组成一个稳定 的单位，在一定时间内不会 发生重大变化。但也有另一 些高度动态变化的复合体可 导致细胞状态和功能的改变 。
蛋白质相互作用 关系的复杂性， 超出任何个人或 特定机构的研究 能力。
如何研究蛋白质 相互作用？
考虑到PPIN的复杂性，研究人员往往从 多种方向和视角来研究某一生物所有的蛋 白质相互作用。
运用生物信息学 的方法由繁入简。 研究的广度
实验分析的方 法由简入繁。 研究的深度
酵母蛋白质相互作用联络图 人蛋白质相互作用联络图
蛋白质相互作用：
1. 通过对蛋白质相互作用的研究，认识 生命活动的基本规律。（科学）
2. 利用蛋白质相互作用，发展技术，用 于研究生命活动的规律或应用性技术。 （技术）
蛋白相互作用网络
PPIN在许多生物过程和研究防治疾病中发挥 着非常重要的作用。
PPIN的研究比基因网络更为复杂和困难。 蛋白质相互作用网络近年来明显发展较快。
蛋白质
蛋白质残基可以在被翻译后修饰而发生化 学变化，并改变其物理、化学及生物学性 能，从而改变蛋白质的功能。
多个蛋白质可以组成复合体来实现某一特 定功能。
一、蛋白质的功能
蛋白质的功能很多，例如以下几种最基本的 生理功能：
1.组成和修复生物体 2.调节生物体的生理机能 3.运输载体 4.供给能量
第九章 蛋白质相互作用网络
南京师范大学 比较基因组学与生物信息学实验室
蛋白质
蛋白质（protein）是一种复杂的有机化合 物，也称“多肽”，它由氨基酸分子排列的 线性链所构成，其氨基酸序列是由对应的 基因序列（遗传密码）所确定。
除了按照遗传密码所编码的十种标准氨基 酸外，在某些生物体中，遗传密码还包括 其他氨基酸。
综上所述，蛋白质参与了生命的几乎所有 过程，例如遗传、发育、繁殖、物质和能 量的代谢、应激等。
揭示生物体内成千上万种蛋白质的具体功 能及其实施功能的机制，是在21世纪后基 因组时代蛋白质研究的核心内容，也是当 前生物科学极富挑战性的研究领域之一。
二、蛋白质组学
蛋白质组学（Proteomics）主要是大规模 地研究蛋白质的结构和功能。