基于蛋白质相互作用界面的比对算法研究
蛋白质间相互作用研究的方法和技术
蛋白质间相互作用研究的方法和技术蛋白质是生命体中最重要的分子之一，它们在细胞内扮演着各种重要的生物学角色，包括信号传导、结构支撑、运输和催化等。
蛋白质的功能主要通过它们的结构和相互作用来实现。
因此，了解蛋白质间相互作用的研究方法和技术对于理解生命体系中的复杂过程至关重要。
蛋白质-蛋白质相互作用的类型和标准方法蛋白质间相互作用可以大致分为两类：非共价相互作用和共价相互作用。
前者包括氢键、疏水作用、离子键等；后者主要包括二硫键。
了解这些不同种类的相互作用的方式，是了解蛋白质结构和功能的基础。
因此，研究这些相互作用的方法和技术是非常必要的。
在研究蛋白质-蛋白质相互作用的方法中，目前最常用的方法是表面等离子体共振（SPR）和交联质谱（XL-MS）技术。
SPR技术基于蛋白质与配体之间的结合，可以实时监测蛋白质-蛋白质复合物的形成。
该技术通过测量蛋白质与配体之间的反应率来确定它们之间的结合强度和动力学参数。
与SPR技术相比，XL-MS技术更加直接和精确。
该技术通过将蛋白质交联，然后将其裂解并用于质谱分析来确定相互作用的位点和强度。
与其他方法相比，这种方法有一个很大的优点，即不需要事先知道被测蛋白质之间的相互作用通路，因为它可以同时检测多种相互作用。
细胞表面展示技术的应用细胞表面展示技术是一种新兴的技术，它允许将蛋白质展示在细胞表面上，从而实现了高通量筛选和发现新的蛋白质-蛋白质相互作用。
这个技术实现方式可以通过基因工程手段，将目标蛋白质的一个表面区域作为 "派对 "的地方，展示在基因改造的细胞表面上，从而诱使其他蛋白质与它相互作用。
通过这种方式，可以在筛选大规模基因库或鉴定蛋白质并行结构时有效地发掘新的蛋白质-蛋白质相互作用。
结论在生命体系中，蛋白质-蛋白质相互作用是如何实现功能的重要机制。
研究蛋白质间相互作用的方法和技术不仅有助于我们理解生命体系中动态和复杂的过程，还有助于我们发现新的药物和治疗方法。
蛋白质相互作用预测的算法研究
蛋白质相互作用预测的算法研究关键信息项1、研究目的2、研究方法3、数据来源4、算法评估指标5、研究进度安排6、研究成果归属7、保密条款8、违约责任9、协议变更与终止10、争议解决方式1、研究目的11 本研究旨在开发和优化一种准确、高效的蛋白质相互作用预测算法，以增进对生物体内蛋白质功能和细胞过程的理解。
2、研究方法21 采用多种数据挖掘技术，包括但不限于机器学习算法、深度学习模型等。
22 整合多种数据源，如蛋白质结构数据、基因表达数据、蛋白质序列信息等。
23 运用特征工程方法，提取与蛋白质相互作用相关的关键特征。
3、数据来源31 公共数据库，如 UniProt、PDB 等。
32 实验室内部积累的实验数据。
4、算法评估指标41 准确率（Accuracy）：正确预测的相互作用数量与总预测数量的比例。
42 召回率（Recall）：正确预测的真实相互作用数量与实际存在的相互作用数量的比例。
43 F1 值：综合考虑准确率和召回率的评估指标。
44 马修斯相关系数（Matthews Correlation Coefficient，MCC）：用于衡量二分类问题的预测效果。
5、研究进度安排51 第一阶段（时间区间 1）：完成数据收集和预处理工作。
511 确定所需数据的范围和类型。
512 从各种数据源获取数据，并进行清洗、整合和标准化。
52 第二阶段（时间区间 2）：算法设计与开发。
521 选择合适的算法模型，并进行初步的参数调整。
522 进行模型训练和验证。
53 第三阶段（时间区间 3）：算法优化与评估。
531 根据评估结果对算法进行优化。
532 重复进行评估，直到达到预期的性能指标。
54 第四阶段（时间区间 4）：撰写研究报告和论文。
6、研究成果归属61 研究过程中产生的所有知识产权归研究团队共同所有。
62 研究成果的发表应以合作的形式进行，各方应共同协商确定发表的期刊和会议。
7、保密条款71 双方应对在研究过程中获取的未公开数据和信息予以保密。
蛋白质相互作用的研究方法
举世瞩目的基因组计划使大量的新基因不断被发现，然而单纯的基组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。
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。
虽然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一起作用或是与其他蛋白质形成复合物来发挥作用的。
因此，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。
在现代分子生物学中，蛋白质相互作用的研究占有非常重要的地位。
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。
一、生物物理学方法1. 融合蛋白pull-down实验融合蛋白pull-down技术基本原理是将一种蛋白质固定于某种基质上（如Sepharose），当细胞抽提液经过该基质时，可与该固定蛋白相互作用的配体蛋白被吸附，而没有被吸附的“杂质”则随洗脱液流出。
被吸附的蛋白可以通过改变洗脱液或洗脱条件而回收下来。
为了更有效地利用pull-down技术，可以将待纯化地蛋白以融合蛋白地形式表达，即将“诱饵”蛋白与一种易于纯化地配体蛋白相融合。
1988年Smith等利用谷胱甘肽－S－转移酶（glutathione-S-transferase ，GST）融合标签从细菌中一步纯化出GST融合蛋白。
从此GST融合蛋白在蛋白质相互作用研究领域里得到了极大的推广。
GST融合蛋白在经过固定有GST（glutathione）的色谱柱时，就可以通过GST与GSH的相互作用而被吸附。
蛋白质相互作用的研究方法
相互 位 改 提高 质、 及 体的 作用 点， 造和 蛋白 酶 抗 生物学和免 疫学属性等。 ｉ ７ 菌 Ｌ等［ 〕 用噬 体抗体库 筛得
ＳＲ 病毒的单克隆抗体， ＡＳ 同时发现 ＳＲ 病毒 Ｓ 区域的血管紧张肤转移酶的结合位点可作为药物治 ＡＳ １起来， ＡＳ 并具有高通 量、 高选择性的特点。但是， 噬菌体可以组装的基因大小有限， 限制了插人蛋白基因的长度和数量， 同时
真核生物细胞转录激活因子一般都含有 ２ 个不同的结构域：Ｎ Ｄ Ａ结合结构域（ Ｎ －ｎｉ ＤＡｉ ｎ ｂｄ ｇ
ｄ ａ ， 和Ｄ Ａ转录激活结构域（ａｓｉｉ ａｉｔｎ ａ ， ） ｏ ｉ Ｂ） Ｎ ｍｎ Ｄ ｔｎ ｒｔｎ ｖｉ ｄｍｉ Ａ 。这两个结构域相互独立但 ｒ ｃｐｏ ｃ ａｏ ｏ ｎ Ｄ ｔ
活化蛋白激酶） 的相互作用， 并提出一种用 Ｇ ＴＳ Ｍ 融合蛋白直接对 Ａ Ｐ Ｓ－ Ｓ Ａ Ｍ Ｋ粗品中的酶活力进行准
确测定的 新方法。 ｕ １用ＧＴ Ｌ 等〔 ０ Ｓ 融合蛋白 ］ 亲和色谱法研究了Ａ ｌ 酶（ ｒＧＰ 定位于高尔基体外侧网络 ｌＴ
的一种Ｇ Ｐ Ｔ 结合酶） 与高尔基体蛋白Ｇ Ｉ 区的相互作用， ＲＰ 发现两种蛋白 有维持彼此内源活性的作用。 融合蛋白亲和色谱法具有高通量性、 高选择性的特点， 由于融合蛋白的多样性以及表达系统的多样 性（ 如细菌、 果蝇、 哺乳动物）该方法能够研究蛋白 ， 质在复杂体系中的相互作用。但该方法的成功应用 取决于是否能够得到足够多的保持蛋白质活性的重组融合蛋白， 以及如何避免内源性诱饵蛋白的干扰。 ２５ 酵母双杂交技术（ ｏ ｒ ｓ ｔ ． ｔ ｈｂｉ ｙ ｅ ｗ ｙ ｄ ｍ） ｓ
分子生 学、 物 物 生物 理学和 物 学的 识和 生 信息 知 技术， 经 立了 种 究蛋白 相 已 建 多 研 质 互作用的 方法。 这
蛋白质的相互作用研究方法ppt课件
3.注意事项 1）细胞裂解
采用温和的裂解条件，不能破坏细胞内存 在的蛋白质－蛋白质相互作用，多采用非离子 变性剂（NP40或Triton X-100)。每种细胞的裂 解条件是不一样的，通过经验确定。
不能用高浓度的变性剂（0.2％SDS)，细胞裂 解液中要加各种蛋白酶酶抑制剂，如商品化的 cocktailer。 2）使用明确的抗体，有的抗体不适宜做免疫共 沉淀。 3) 对照实验的设计。
3. 双杂交系统的缺陷
（1）它并非对所有蛋白质适用。
融合蛋白的相互作用激活报告基因转录是在细胞 核内发生的，而表达的融合蛋白在细胞内能否正确折 叠并运至核内是检测的前提条件。虽然目前已经在表 达质粒中插入了核定位序列，但仍不能排除不少必须 经过内质网等细胞器进行翻译后加工修饰的蛋白质尤 其是胞外蛋白不能进入核内，或因产生错误的构象而 影响筛查结果.
其中兰色荧光蛋白和绿色荧光蛋白
青色荧光蛋白和黄色荧光蛋白之间可以发 生荧光共振能量转移
Look at physical interactions between proteins
四、Bimolecular Fluorescent Complementation
五、Yeast Two－Hybrid Systerm
写出两种检测蛋白质之间的是否有相互 作用的方法？请写出主要操作步骤。
Douglas Prasher was the first person to realize the potential of GFP as a tracer molecule.
GFP could potentially be a very useful reporter molecule.
容易检测 分子量小 不需要其它底物
蛋白质结合相互作用及研究方法
b a it
predator
X
Y
does X bind with a protein?
tran s fo rm e d yeast
X
W e ' l l s t a r t b y m a k i n g t r a n s f o r m e d y e a s t e x p r e s s i n g X
transfection
activation domain
transfection
e x t r a c t p la s m id s
re-transformed yeast
N o w w e m a k e r e - t r a n s f o r m e d y e a s t .
X
Y
W e h a v e a Y ifw e h a v e e x p r e s s io n o f th e (la c )r e p o r te rg e n e .
positive yeast containing
bait plus predator!
th e fish in g was good!
.
bait
XY prey
transcription machinery lac 2
-galactosidase
X-gal
blue color
21
酵母双杂交系统的应用现状
.
11
酵母双杂交系统的原理
X
DNA-BD
GAL4 UAS
Promoter
GAL4 UAS
Promoter
lacZ(or HIS) reporter gene
生物信息学中的蛋白质序列比对算法研究
生物信息学中的蛋白质序列比对算法研究在生物学研究中，蛋白质序列比对是一种重要的技术手段，用于分析和理解蛋白质的结构和功能。
蛋白质序列比对算法旨在寻找两个或多个蛋白质序列之间的相似性关系和差异性。
基于这些比对结果，我们可以推断蛋白质的功能、亲缘关系以及进化历史等信息。
本文将介绍几种常用的蛋白质序列比对算法，并讨论它们在生物信息学中的应用。
一、序列比对的重要性蛋白质序列比对为我们理解蛋白质的结构和功能提供了基础。
蛋白质是生物体内最为重要的大分子，其功能与结构紧密相关。
通过比对蛋白质序列，我们可以推断其可能的功能和结构特征。
而蛋白质序列的比对不仅可以研究同一物种的不同蛋白质，还可以比较不同物种之间的蛋白质，从而推断它们之间的进化关系。
二、常用的蛋白质序列比对算法1. Smith-Waterman算法Smith-Waterman算法是一种动态规划算法，用于比对两个蛋白质序列或核酸序列。
该算法通过构建一个得分矩阵来计算序列的相似性。
在得分矩阵中，每个单元格代表两个相应序列位置之间的最佳得分。
最终根据最高得分确定比对的起始位置，从而得到最优的比对结果。
Smith-Waterman算法适用于比对相对较短的序列，但对于大规模比对问题计算复杂度较高。
2. Needleman-Wunsch算法Needleman-Wunsch算法也是一种动态规划算法，用于全局比对两个蛋白质序列或核酸序列。
与Smith-Waterman算法不同的是，Needleman-Wunsch算法通过引入罚分来惩罚不匹配的碱基或氨基酸，以确定最佳比对结果。
这个算法适用于比对相对较长的序列，但也面临计算复杂度较高的问题。
3. BLAST算法BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）算法是一种快速比对算法，广泛应用于生物信息学领域。
BLAST算法采用启发式搜索策略，通过预先建立一个库，将待比对序列与库中的序列进行比对。
检测两种蛋白质之间相互作用的实验方法比较
检测两种蛋白质之间相互作用的实验方法比较蛋白质相互作用是生物学研究中的重要课题，对于理解细胞生物过程以及疾病的发病机制具有重要意义。
目前已经开发出多种实验方法用于检测蛋白质相互作用，其中最常用的方法包括：免疫共沉淀、双杂交、表面等离子共振、斑点免疫印迹、荧光共振能量转移（FRET）和生物传感等。
下面将对这些方法进行比较。
免疫共沉淀是一种利用抗体特异性识别蛋白质相互作用的方法。
通过特异性抗体与检测蛋白质结合，将目标蛋白质及其相互作用的蛋白质一起通过沉淀进行分离和检测。
这种方法常用于检测蛋白质复合物，缺点是需要高质量的抗体，抗体的选择和结合效率对结果的可靠性有较大的影响。
双杂交是一种检测蛋白质相互作用的基因工程方法。
该方法利用两个蛋白质的相互作用引起的转录活性调控来筛选蛋白质相互作用。
该方法的优点在于操作简单，筛选速度较快，但是可能存在假阳性结果以及对蛋白质的折叠状态和后转录修改对结果的影响。
表面等离子共振是一种通过测量光敏感表面上的变化来检测蛋白质相互作用的方法。
该方法通过共振的光波与蛋白质结合引起的表面层折射率变化来测量蛋白质的结合动力学参数。
该方法的优点在于实时、直接、无标记以及高灵敏度。
斑点免疫印迹是一种检测蛋白质相互作用的方法，该方法通过将蛋白质分离电泳然后向膜转移，并使用特异性抗体来探测蛋白质的相互作用。
该方法的优点包括操作简单，对蛋白质的结构没有要求，但是这种方法不能提供定量信息。
荧光共振能量转移（FRET）是一种检测蛋白质相互作用的方法，该方法通过基于荧光分子之间的非辐射能量转移来测量蛋白质的相互作用。
该方法对于分子间距离和颗粒之间的角度较敏感。
FRET要求有适当的选择标记的蛋白质，并能够量化蛋白质的相互作用。
生物传感是一种检测蛋白质相互作用的方法，该方法通过表面增强拉曼散射（SERS）或增强荧光技术来获得蛋白质的信号。
该方法对于小样本和灵敏度要求较高的蛋白质相互作用研究具有优势，但需要专门的实验条件和设备。
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基于蛋白质相互作用界面的比对算法研究
摘要：蛋白质相互作用界面是蛋白质相互作用产生的物理载体。
考虑蛋白质相互作用界面间的结构相似性对于研究蛋白质功能，信号传导网络和药物设计具有非常重要的意义，而现有的蛋白质结构比对算法仅适用于蛋白质单体的全局空间结构。
我们给出了基于整数二次规划模型的方法来考虑蛋白质相互作用界面的比对问题，该方法整合了蛋白质序列的进化信息、结构信息，并用进化谱的相似性来对比对上的残基打分以衡量其进化保守性。
通过计算实验，发现进化上和结构上保守的残基有可能就是对于蛋白质结合起重要
作用的残基，即热点。
关键词：蛋白质；相互作用界面比对；热点；整数二次规划
中图分类号：tp301 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）14-3410-03
蛋白质经常通过与其它蛋白质相互作用来行使其功能，例如信号传导网络和代谢网络中的蛋白质复合物，而蛋白质相互作用界面是蛋白质相互作用发生的物理载体。
蛋白质相互作用界面（～
1500-3000 ?2）要比蛋白质-配体相互作用界面（～300-1000 ?2）大很多，而且一般不像配体结合位点那样蛋白质表面呈凹槽状，而是平坦的。
实验证明界面上残基的结合能量并不是均匀分布的，而是一些残基的结合能量较大而且仅占界面残基的一小部分，这些对于蛋白质结合起关键作用的残基叫做热点（hot spots）。
丙氨酸扫描变异（alanine scanning mutagenesis）是目前主要的识别热点
的实验方法，其基本原理是把界面上的单个残基替换成丙氨酸，并测得替换以后残基结合能量的变化值。
选择丙氨酸作为替换残基是因为丙氨酸的侧链仅有一个碳原子，并且替换后不改变主链构象，也不会产生很大的静电或者位阻效应。
由于其实验过程较为复杂，目前获得的丙氨酸扫描变异数据很少，主要存放在丙氨酸扫描变异数据库asedb中。
分析发现热点要比蛋白质相互作用界面上的其它残基进化上和结构上保守，并且其在空间结构上聚在一起，周围被一些能量较小的残基包围着。
基于这些特征，我们这里用整数二次规划方法，结合蛋白质的进化和结构信息来对蛋白质相互作用界面进行比对，进而可以用来预测热点。
1 数据获取
首先从丙氨酸扫描变异数据库（asedb）中获取含有丙氨酸扫描变异残基的蛋白质链及相关复合物。
对于一个复合物中不同蛋白质链的两个残基，如果这两个残基的任意两个原子其距离小于两个原子的范德瓦尔半径之和再加上0.5 ?，则这两个残基叫做接触式残基（contact residues），这些接触式残基构成的蛋白质表面被定义为蛋白质相互作用界面。
我们从每组复合物中提取出包含丙氨酸扫描变异残基的蛋白质相互作用界面。
2 蛋白质相互作用界面比对方法
2.2 基于整数二次规划方法的残基网络比对模型
3 蛋白质相互作用界面热点预测方法
4 计算结果
4.1 免疫球蛋白和溶菌酶的相互作用热点预测
4.2 对asedb数据库中蛋白质复合物的热点预测
5 讨论
蛋白质相互作用界面比对对于研究蛋白质相互作用、蛋白质功能非常重要。
现有的蛋白质结构比对算法只适用于研究蛋白质单体的全局空间结构，并不适用于蛋白质相互作用界面。
这里我们将界面比对问题转化为网络比对问题，并结合蛋白质的进化信息和结构信息，用基于整数二次规划模型的方法来有效地找出界面上的进化和结构上都保守的残基，并验证这些残基有可能是热点。
丙氨酸扫描变异数据库asedb 是基于对单个残基替换成丙氨酸
后能量变化的测定，这种实验方法对于组合残基的能量变化并不能有效地确定。
最近丙氨酸切削技术（alanineshaving technologies）可以同时使多个氨基酸变异为丙氨酸，这样对一些单个残基变异能量变化不大但多个残基一块变异则对蛋白质相互作用能量影响较
大的残基组可以有效地识别出来。
这些残基组在进化上和空间结构上可能是保守的，因此我们的预测结果可以进一步作为丙氨酸切削技术的候选残基。
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