非变性质谱和紫外激光解离在蛋白质结构和相互作用分析中的应用

蛋白质结构及相互作用的动态变化与其生物学功能密切相关,对蛋白质结构及相互作用进行精准探测和分析面临着巨大挑战。非变性质谱(nMS)是一种能够在近生理条件下将蛋白质及其复合物通过电喷雾离子化引入气相离子并进行质谱分析的方法。通过直接测定溶液中蛋白质及其复合物的组成或整合多种质谱解离技术,nMS可获取蛋白质及其复合物的计量关系、组装形式、解离常数、构象变化、结合界面及作用位点等关键信息,以揭示蛋白质相互作用与生物学功能之间的关系。紫外激光解离(UVPD)技术,特别是采用了193 nm准分子激光的UVPD是近年来迅速发展起来的质谱解离技术,其可以高效解离非变性蛋白质骨架,并保留碎片离子中的氢键等非共价相互作用力,从而实现单氨基酸位点分辨的蛋白质动态结构和相互作用质谱解析。本综述主要介绍了nMS和UVPD技术在蛋白质动态结构和相互作用分析中的应用和最新进展,包括由位点突变及配体结合等引起的蛋白质动态结构和相互作用变化,最后对蛋白质nMS表征的未来发展方向做出了展望。

基于蛋白质结构和理化性质的鱼糜蛋白-油脂相互作用

通过添加不同质量分数大豆油和猪油,研究油脂对金鲳鱼鱼糜凝胶理化性质和蛋白结构的影响。在油脂质量分数范围内(0%~20%),8%的猪油与大豆油使鱼糜白度、持水性、凝胶强度、储能模量(G’)和感官评价显著增加。而油脂质量分数高于8%后,鱼糜凝胶强度、持水性、G’等指标下降。与大豆油相比,含有猪油的鱼糜凝胶(8%)的指标更优。扫描电子显微镜结果显示,油脂不仅以颗粒填充的方式占据蛋白间的空隙,还在表面形成界面蛋白膜,通过蛋白丝与蛋白基质结合。研究表明油脂在鱼糜凝胶中所产生的作用是由油脂-界面蛋白膜-蛋白质共同作用而形成。拉曼光谱图谱表明,添加油脂会使蛋白质α-螺旋相对含量下降,β-折叠相对含量先上升后下降。而大豆油的加入,使得鱼糜凝胶的无规卷曲相对含量也明显增加,而猪油处理组中无规卷曲相对含量变化不如大豆油组。大豆油和猪油的添加均导致鱼糜凝胶的蛋白侧链疏水基团暴露。这些结果表明油脂的存在会改变鱼糜蛋白的微环境和分子结构,进而影响鱼糜凝胶的理化性质。当猪油质量分数为8%时,鱼糜凝胶表现出更优的性质。

染色质三维结构相关蛋白质的研究方法与技术

真核生物染色质空间构象的形成和维持受到多种因素的共同调控,其中多种蛋白质在染色质三维结构的形成与维持中具有重要作用,而大量蛋白质在三维基因组中的具体作用机制仍待研究。本文从研究技术、思路及展望三方面分别进行了论述。首先,介绍了染色质三维结构相关蛋白质的研究技术,其中,基于显微荧光成像的技术包括结构光照明显微技术、单分子定位显微技术和受激发射损耗显微技术,它们可以提高染色质三维结构成像分辨率并丰富染色质三维结构成像细节。测序技术包括针对转录因子的染色质免疫共沉淀测序技术,以及针对染色质的染色质构象捕获及其衍生技术。然后,归纳了基于共定位发现染色质三维结构相关目标蛋白质,以及研究其具体作用机制的思路。将染色质三维结构相关的转录因子和辅因子按其作用机制分类,整理了目前已发现的染色质三维结构相关蛋白质,包括直接作用于DNA、与辅因子共同发挥作用、介导相分离、参与环挤出、与非编码RNA共同发挥作用、引起染色质修饰以及G-四链体相关等。最后,讨论了现有研究技术存在的挑战和未来发展趋势,在实验流程、成本以及有偏性等方面指出了现有研究技术的提升空间和发展方向,推动三维基因组学研究向分子层面发展。

蛋白质三维结构解析的方法

三维结构是生物大分子功能分析的基础.对生物大分子的原子框架深入研究可以确定其结构、功能和进化的根源,有助于指导疾病的治疗以及靶向药物的开发.蛋白质是生命活动的物质承担者和体现者,对蛋白质结构的解析是阐明其发挥功能的分子机制的前提.从原理、发展历程及优缺点等方面对现有的4种蛋白质结构解析方法进行了简要概述,即X射线衍射法、核磁共振法、冷冻电子显微镜法以及基于大数据进行蛋白质结构预测的AlphaFold人工智能系统,旨在回顾结构生物学的发展历程,系统梳理目前蛋白质结构解析的发展现状.

蛋白质结构与相互作用研究新方法--交联质谱技术

蛋白质的空间结构信息以及蛋白质间的相互作用信息对于研究蛋白质的功能有重要意义.研究蛋白质结构与相互作用的传统技术,如核磁共振技术、X射线晶体衍射技术等,对于蛋白质的纯度、结晶性和绝对量均有比较高的要求,限制了其广泛应用.交联质谱技术是近十多年来发展起来的新技术,它将质谱技术与交联技术相结合,在研究蛋白质结构与相互作用方面具有速度快、成本小、蛋白质各方面性状要求低等优势.本文就交联质谱技术各个环节的技术方法加以综述,包括交联质谱实验分离富集技术、常见交联剂特性、交联质谱数据库搜索算法、结果验证研究和交联质谱技术的应用等方面,并展望了该研究方向未来的发展.

蛋白质三维结构相似性比较方法综述

蛋白质空间结构的相似性比较是生物信息学领域的一个研究热点,近年来出现了不少蛋白质三维结构相似性比较方法.文中以蛋白质三维结构的表示为线索,对目前已有的蛋白质三维结构相似性比较的典型方法进行分类,分析并归纳了各种方法的适用性.

多准则框架下的蛋白质三维结构相似性检索

蛋白质三维结构与功能的关系问题是当前生命科学领域的一个重大科学问题,蛋白质三维结构相似性比较则是探索蛋白质结构与功能关系的一种重要手段.文中就蛋白质结构在空间分布的特殊性提出了一种多准则框架下的蛋白质三维结构相似性检索模型.在该模型下,通过三种蛋白质空间旋转与平移不变特征的获取,实现了蛋白质骨架空间走向函数的一致性、蛋白质骨架距离直方图的一致性以及蛋白质距离矩阵数据分布一致性的多准则相似性检索策略.作者对实际的27804个蛋白质样本数据库进行实验,结果表明该文所提出的检索模式以及相似性准则的设计是实现大规模蛋白质三维结构相似性检索的一种有效方法.

核磁共振波谱研究蛋白质三维结构及功能

文中总结了中国科学技术大学生命科学学院核磁共振波谱实验室十多年来的工作.我们的研究主要集中于研究人和其他真核生物基因表达调控相关蛋白质以及细胞连接处相关蛋白质.在这两个体系中许多蛋白质与人类健康及疾病相关,有的可能是潜在的药物作用靶标.我们主要关注用核磁共振波谱方法研究蛋白质-蛋白质相互作用的结构基础.核磁共振适合研究在接近生理条件下的分子相互作用,特别是适合研究低亲和力的瞬态的复合物.它可以提供蛋白质相互作用界面,复合物结构,以及蛋白质相互识别过程动力学的信息.文中给出了一些例子.我们也研究蛋白质内部动力学,包括皮秒-纳秒时间尺度,与毫秒-微秒时间尺度的动力学.与圆二色谱及荧光光谱结合,核磁共振可以详细表征蛋白质的折叠与去折叠.文中给出的核磁共振应用的最后一个例子是用计算机虚拟筛选,核磁筛选,我们发现了一个人的双功能的磷酸酶的一种新类型的抑制剂,并研究了该抑制剂对细胞功能的影响.这一策略有可能用于早期药物的发现.

高温处理对牛肉蛋白质化学作用力及肌原纤维蛋白结构的影响

以牛背最长肌为研究对象,对其进行高温处理(110、115、121℃分别加热3、6、9、12、15 min),通过分析蛋白质化学键、傅里叶变换红外光谱、紫外光谱、内源荧光光谱以及蛋白质片段大小等结构信息变化,探讨高温处理对牛肉蛋白质化学作用力及肌原纤维蛋白结构的影响。结果表明,随着处理温度的升高和加热时间的延长,牛肉蛋白中离子键和氢键含量显著下降(P<0.05),疏水相互作用和二硫键含量显著升高(P<0.05)。肌原纤维蛋白二级结构发生重排,N—H和C—N伸缩振动以及N—H弯曲振动较为明显。高温处理促使芳香族氨基酸残基暴露于分子表面,并改变了肌原纤维蛋白质疏水区域的局部结构和蛋白质的三级结构。此外,在高温处理下肌原纤维蛋白发生了明显的降解聚集,并形成了大量小分子质量的蛋白片段。可见,高温处理能够显著改变牛肉蛋白质的化学作用力及肌原纤维蛋白的结构,本研究为高温处理下牛肉蛋白质变化机制的研究提供参考。

预测蛋白质三维结构的拟物算法

研究了生物信息学中的一个重要问题,即蛋白质结构预测.并受物理世界的物体间相互作用的规律的启发,给出了该问题一个三维欧氏空间连续模型,它比离散模型有一定的优越性,使计算很自然地利用到了一个客观存在的"天然导引",这个"天然导引"即是疏水氨基酸之间的引力,然后根据这个连续模型找到了相应的拟物算法,最后还给出了实验结果,结果也证明了这个拟物算法在计算速度方面的优越性.

P53蛋白质N末端的二级结构预测及其三维构象

以编码Ｐ５３Ｎ末端１２０个残基的ｍＲＮＡ二级结构为基础，结合Ｃｈｏｕ－Ｆａｓｍａｎ蛋白质二级结构预测原则，预测出Ｐ５３蛋白质Ｎ端的９３个残基包含四段α螺旋结构（１４－２６；３８－４６；５１－５６；６８－７０），没有发现β片层。与四种以多重序列联配为基础的蛋白质二级结构预测方法（准确率均为７３．２０％左右）相对照，结果十分相近。在ＳＧＩ工作站上以此为初始结构建立的三维构象提示，Ｐ５３Ｎ末端前８０个氨基酸肽段呈弧型板块结构，其转录激活区由两段主要螺旋组成，呈上下构形，占据弧型板块的顶部及底部外侧缘。Ｃ端１３个富含脯氨酸肽段则呈弯曲松散状。

人类N-乙酰化酶2蛋白质三维结构的计算机模拟技术的研究进展

NAT2是人体内重要的代谢酶,主要参与含氮药物的代谢。目前对NAT2基因序列测定和药物代谢等方面已经进行了大量的研究。近年来人们对蛋白质的三维(立体)结构的模拟越来越关注,但是对NAT2的三维立体结构以及它与药物结合的构效关系等研究仅处在一个起步阶段。该文对NAT2三维立体结构的构建的研究进展作一综述,着重介绍蛋白质立体结构的构建方法和工具的研究情况。

蛋白质磷酸化作用的结构基础

蛋白质可逆磷酸化涉及到几乎所有细胞活动的调节 .

蛋白质复合物结构预测:方法与进展

蛋白质复合物是不同蛋白质链通过相互作用形成的,自然界中很多蛋白质通过形成复合物而执行功能,因此准确地预测复合物的结构对于理解和掌握功能至关重要。近两年来,单条蛋白质链的结构预测有了突破性的进展,从氨基酸序列出发预测蛋白质结构的水平大幅提高。但相较于单体蛋白质,蛋白质复合物结构预测的准确性仍然较低。本文旨在总结蛋白质复合物结构预测的相关算法以及介绍最新进展。首先简要介绍蛋白质结构预测领域的相关人工智能算法,主要包括共进化分析与蛋白质接触预测、深度学习方法与蛋白质结构预测、预训练模型与蛋白质表征学习几个方面;其次系统总结了蛋白质复合物链间相互作用预测的基本方法,从复合物的多重序列比对构建到对于同源或异源复合物的链间残基接触预测;最后从相互作用位点指导复合物结构预测、蛋白质分子对接算法、端到端的复合物结构预测方法等方面阐述了蛋白质复合物结构预测的基本方法和思路。总体来说,目前蛋白质复合物结构预测精度不够高,有效地解决多重序列比对的配对和多聚体复合物模板搜索等问题,或者在大量的序列或结构数据上结合预训练模型的新范式,是一个合理而有效的方案。提升蛋白质复合物结构预测水平在合成生物学领域如抗体设计、药物发现等方面有很好的应用前景。

求解蛋白质结构预测问题的三维连续模型及其相应的拟物拟人算法

提出了蛋白质结构预测问题的三维欧氏空间连续模型,为由此形成的数学问题找到了相应的物理模型,进而找到了相应的拟物拟人算法。

基于蛋白质晶体结构的残基相互作用势能函数研究进展

阐述了基于蛋白质晶体结构的残基势能函数的研究进展,从平均作用力场势能函数的基本物理假设、势能函数性质和影响势能函数准确性的因素3个方面出发,分析了导出残基相互作用势能的方法,给出了残基对之间和3个残基之间的平均作用力势能函数计算过程,并介绍了残基势能函数在蛋白质结构研究领域的应用.基于蛋白质晶体结构的残基相互作用势能研究表明,蛋白质结构稳定是多种作用力相互竞争、相互协调进而达到平衡状态的结果.未来对于残基团簇及其相互作用网络能量分布的研究,能够建立介于原子尺度和蛋白质整体结构尺度之间的作用力物理模型,为蛋白质结构宏观尺度研究提供重要的微观力学机理.

基于分形的蛋白质三维空间结构复杂性研究

为了对蛋白质的三维结构进行比较研究,提出了一种利用分形理论对蛋白质空间复杂度进行评价的方法。采用原子覆盖蛋白质α碳骨架,进行蛋白质三维结构的分维计算,并与互联网上提供蛋白质比较的网站所对应的数据相比较,结果表明,本方法有效快速,可对蛋白质结构进行粗分类。

基于结构域的芥子油苷合成相关蛋白质相互作用模型构建和预测

从蛋白质一级序列抽取蛋白质结构域信息建立结构域特征向量,使用结构域特征向量训练基于高斯径向基核的支撑向量机,用5折交叉验证对支撑向量机参数网格寻优,然后用最优化参数训练得到蛋白质相互作用预测器。结果表明:预测器的交叉验证ROC曲线下面积达到了85.49%,可以有效预测拟南芥相关的蛋白质相互作用。

相互作用结构域SH3和WW的蛋白质组学研究

在过去十年的研究中,发现许多蛋白质相互作用是通过相互作用结构域(如SH2,WW,SH3等)与其识别的另一个蛋白质中一段短肽序列的结合完成的,蛋白质相互作用结构域在蛋白质亚细胞定位、信号传导和蛋白复合体的组装等方面发挥重要功能。随着蛋白质组学技术的发展,高通量技术用于结构域结合特性及相互作用网络的研究。本文通过概述SH3和WW结构域的蛋白质组学研究策略的最新进展,总结结构域的几种现有研究策略。