高通量蛋白质结构生物信息学进展

本文总结了高通量蛋白质结构生物信息学的最新进展,包括结构数据管理、工具软件开发和结构数据挖掘三个主要方面。结构数据管理方面,得益于类AlphaFold系统的发展,蛋白质结构数据量实现爆发式增长,直接促进了压缩技术的升级,也吸引了研究者对结构数据管理的关注。工具软件开发方面,以Foldseek为代表的新算法实现了高速的结构比对,突破了结构分析的通量瓶颈,此外深度学习模型的大量应用从多个方面改进了基于结构的蛋白质功能注释。结构数据挖掘方面,研究者以组学思维处理结构大数据,在持续的探索中提炼分析要素、优化方法,并在新工具的帮助下推动着结构数据挖掘的进阶。随着高通量方法的发展,结构生物信息学有望在生命科学中发挥更重要的作用。

高职院校专业课《生物化学》融入思政元素的实施路径探索——以“蛋白质的结构”为例

《生物化学》作为药品生产技术专业群的一门重要的专业基础课,贯穿整个专业学习过程.课程团队在对本门课程进行思政教学改革的过程中,以“蛋白质的结构”这一教学单元为例,从单元在课程中的定位、思政教学目标、思政教学融入点以及思政教学考核与评价等方面,对思政元素融入的实施路径进行了探索与实践,为后续深入的思政教学改革提供了思路和借鉴.

基于生物信息学的蛋白质功能预测研究综述

蛋白质功能预测任务旨在为缺失功能标签的蛋白质数据提供功能注释,随着蛋白质测序技术的发展,数据库中蛋白质数量迅速增长,由于蛋白质数据的复杂性和多元性,蛋白质功能预测任务极具挑战,受到研究人员的密切关注。梳理了机器学习在蛋白质功能预测中的发展历程;对近年来的蛋白质功能预测方法进行归类与总结,分析各类算法之间的异同;最后对蛋白质功能预测存在的问题进行讨论,并对该领域的未来研究进行展望。

嗜水气单胞菌外膜蛋白TolB的原核表达及生物信息学分析

为筛选TolB作为嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)渔用疫苗候选抗原,从嗜水气单胞菌中克隆了外膜蛋白tolB基因并异源表达,采用生物信息学方法预测TolB的理化性质和结构特征。结果显示,tolB基因片段(去除信号肽)全长1 263 bp,编码1条含有420个氨基酸残基的多肽,分子质量45.78 ku。成功在大肠杆菌E. coli BL21(DE3)中异源表达TolB蛋白,其为稳定的亲水性外膜蛋白。TolB蛋白家族在不同菌株间具有同源性,尤其在气单胞菌间亲缘关系更近。TolB蛋白二级结构以无规则卷曲为主,具有潜在的B细胞、细胞毒性T淋巴细胞(CTL)和辅助T细胞(Th)抗原表位;相互作用网络主要为TolPal系统蛋白。综上,TolB具有成为嗜水气单胞菌亚单位疫苗有效候选抗原的特性。

亚洲牛带绦虫泛素缀合酶基因及其蛋白质结构与功能的生物信息学分析

目的分析和预测亚洲牛带绦虫泛素缀合酶基因及其编码蛋白的结构与功能特性,用于指导其生物学功能的实验研究。方法利用美国国家生物技术信息中心和瑞士生物信息学研究所的蛋白分析专家系统中有关基因和蛋白的序列和结构信息分析的各种工具,结合其它生物信息学分析软件包,如VectorNTIsuite,从亚洲牛带绦虫成虫cDNA质粒文库中识别出泛素缀合酶基因及其编码区,分析、预测该基因编码的蛋白质的理化特性、翻译后的修饰位点、功能域、亚细胞定位、拓扑结构、二级结构等。结果该序列为全长基因,编码区为76bp-537bp,编码154个氨基酸。该序列为泛素缀合酶基因同源序列。其编码蛋白的理论分子量为17397.1,亚细胞定位在细胞核。预测该蛋白无跨膜区。与吸虫属的泛素缀合酶进化关系最近。结论应用生物信息方法从亚洲牛带绦虫成虫cDNA文库中筛选出了亚洲牛带绦虫泛素缀合酶cDNA全长序列并预测得到其结构与功能方面的信息。

生物信息学中蛋白质结构的B样条结构曲线计算模型研究

蛋白质结构建模是生物信息学中一个基础而重要的问题·根据蛋白质分子自身的链式结构特点,基于蛋白质分子主链(即骨架)上的Cα原子,运用B样条空间曲线理论,提出了一种蛋白质骨架结构生物信息学分析模型———B样条结构曲线(BSSC)模型·利用BSSC模型的连续性、可控性、可扩展性等特点,可对蛋白质结构相关的诸多生物信息学问题进行分析和研究·

生物信息学分析亚洲牛带绦虫WD40基因及其蛋白质的结构与功能

目的分析和预测亚洲牛带绦虫WD40基因及其编码蛋白的结构和特性,用于指导其生物学功能的实验研究。方法利用美国国家生物技术信息中心(NCBI,http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)、瑞士生物信息学研究所的蛋白分析专家系统(ExPASY,http://ca.expasy.org/)和IEDB Analysis Recource提供的各种生物信息学在线分析程序,结合其它生物信息学分析软件包如Pcgene和Vector NTI suite,从亚洲牛带绦虫全长cDNA质粒文库中识别WD40基因及其编码区,分析、预测该基因编码的蛋白质的理化特性、翻译后的修饰位点、功能域、亚细胞定位、拓扑结构、二级结构、三维空间构象等。结果该基因全长1208bp,编码区为81～1056bp,编码402个氨基酸,为全长基因;无跨膜区,具有多个磷酸化位点,蛋白的理化性质稳定,理论分子量为35942.4;没有质体、线粒体定位序列;预测该蛋白表面有三个亲水性强的线性表位和三个B细胞抗原表位。结论应用生物信息方法从亚洲牛带绦虫成虫cDNA文库中识别出了亚洲牛带绦虫WD40基因,并对其所编码的蛋白质的结构与功能进行了预测。

异育银鲫血清蛋白质图谱的构建及生物信息学分析

异育银鲫是国内淡水养殖的优良品种之一,近年来,其病害问题日趋严重,极大影响了养殖效益。鱼类在感染病害后,可引起血清中某些蛋白质的表达水平发生变化,因此通过筛选某些特异蛋白质,将其作为生物标记物,有助于鱼类病害的识别及防治。利用蓝绿温和胶电泳结合色谱-质谱联用技术对异育银鲫血清蛋白质进行分离和鉴定,共鉴定成功721个血清蛋白质。生物信息学分析表明,这些蛋白质主要参与补体和凝血级联、代谢途径以及细菌感染途径等。本试验鉴定出多种非特异性免疫相关蛋白质,其中包含C3蛋白和α2-巨球蛋白,基于强度的绝对蛋白质定量分析表明,不同种类的补体C3蛋白和α2-巨球蛋白具有不同的表达量。部分潜在的血清标记物如血清转铁蛋白、肌酸激酶、α2-烯醇化酶以及补体因子Hf等在血清中均被成功鉴定。本试验结果可为异育银鲫血清蛋白质功能研究、蛋白质相互作用以及血清标记物筛选提供新的研究手段和方法,对于鱼类的疾病预防工作具有重要意义。

非洲猪瘟病毒pI215L蛋白结构与功能的生物信息学分析

[目的]研究非洲猪瘟病毒(African swine fever virus,ASFV)pI215L蛋白的结构与功能。[方法]从ASFV数据库(The African Swine Fever Virus Database,ASFVdb)下载29个不同ASFV毒株的pI215L基因序列,利用生物信息学工具分析不同毒株pI215L基因的同源性及遗传进化关系,预测pI215L蛋白的理化性质、二级结构、线性表位及三维空间位置。[结果]不同ASFV毒株的pI215L基因核苷酸序列同源性较高;pI215L蛋白性质不稳定,亲水性较高,二级结构主要含有α-螺旋、延伸链、β-转角、无规卷曲4种形式,含有1个E2泛素化结合酶结构域;共有16处肽段是潜在的线性表位;使用SWISS-MODEL对pI215L蛋白的三级结构完成同源建模,在PDB数据库中与6NYO.1(ubiquitin-conjugating enzyme E2 R2和ubiquitin)的同源性达46.06%;再使用PyMOL软件对pI215L蛋白进行构象表位预测,准确定位预测的表位三维空间位置在模型中的分布。[结论]该研究结果为解析pI215L蛋白的结构和功能以及研制ASFV疫苗和抗ASFV药物提供了参考。

刚地弓形虫核糖体蛋白L35A基因克隆与生物信息学分析

目的:克隆刚地弓形虫核糖体蛋白L35A基因,并运用生物信息学方法分析和预测RPL35A蛋白的结构与功能。方法:利用PCR技术扩增刚地弓形虫RPL 35 A基因,并通过ProtParam、ProtScale、TMpred和Signa IP预测RPL35A蛋白的理化性质、亲疏水性、跨膜区和信号肽等一级结构,通过MEGA 6.0和DANSTAR软件分析RPL35A蛋白的保守性。用NPSA SOPMA和Swiss-Model预测RPL35A蛋白的二级和三级结构。并通过PSORT、CD-Search、DUT和IEDB数据库预测RPL35A蛋白的亚细胞定位、结构域、翻译后修饰位点和抗原表位等。结果:刚地弓形虫RPL 35 A基因片段大小为339 bp,编码112个氨基酸,蛋白质分子式为C 579 H 940 N 176 O 151 S 2,相对分子质量为12847.04,理论等电点为10.94,无跨膜区和信号肽,为亲水性不稳定蛋白,在不同虫株间高度保守。二级结构主要有无规则卷曲和延伸链。RPL35A蛋白亚细胞定位于线粒体,有9个磷酸化位点、12个O-糖基化位点和6个潜在的B细胞抗原表位。结论:刚地弓形虫RPL35A蛋白具有潜在的免疫原性,可作为刚地弓形虫疫苗和药物靶点研究的候选分子。

大额牛瘤胃细菌Umcel-2蛋白的生物信息学分析

为了了解云南大额牛瘤胃细菌Umcel-2蛋白的生物学特性、结构及功能等特征,阐明大额牛瘤胃细菌Umcel-2蛋白高效降解纤维素的生物学功能,试验采用多种在线软件和工具对Umcel-2蛋白进行生物信息学分析研究。结果表明:Umcel-2蛋白分子式为C1983H2987N541O670S15,相对分子质量为4.56 kDa,属于一个定位于细胞质中,无跨膜区及信号肽的亲水型酸性稳定蛋白;Umcel-2蛋白含有1个保守区域pfam00150且属于糖苷水解酶家族5,二级结构由α-螺旋、无规则卷曲发挥主要功能,三级结构同源建模质量高且与芳基磷酸化-β-D-葡萄糖苷酶BglC相似;Umcel-2蛋白存在3个N端糖基化位点和49个磷酸化位点,且其活性位点由甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、亮氨酸和天冬酰胺等氨基酸组成,有利于提高其纤维素酶活性。系统进化树结果表明,Umcel-2蛋白与未培养生物AEX97596.1纤维素酶的纤维素酶蛋白高度同源,表现出内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的纤维素酶活。研究表明,生物信息学方法预测瘤胃细菌Umcel-2蛋白具有较高的纤维酶活性,为瘤胃细菌高效降解纤维素的深入研究提供了参考。

日本血吸虫弹性蛋白酶蛋白质结构与功能生物信息学分析

血吸虫分布广泛,能感染人类和许多动物,严重影响人类的身体健康和经济发展,是全球性的公共卫生问题之一。血吸虫之所以能成功感染人体,血吸虫尾蚴的弹性蛋白酶起到了非常重要的作用。弹性蛋白酶是一种胰蛋白酶家族的丝氨酸蛋白酶,

牡丹非特异性脂质转移蛋白基因PsLTP的生物信息学分析

[目的]了解牡丹非特异性脂质转移蛋白基因LTP的基因特征及其编码蛋白的生物学特性,探索其生物功能。[方法]运用Blast、ORF-Finder、ProtParam、SignalP 4.1、ProtScale和TMHMM 2.0 Server等生物信息学软件,分析牡丹nsLTP基因序列及其编码蛋白的基本理化性质、信号肽、磷酸化位点、保守结构域等,并运用DANMAN、MEGA软件进行多序列比对和系统发育树构建。[结果]牡丹nsLTP基因(NCBI登录号为:JZ840269.1)序列全长为685 bp,开放阅读框长为354 bp,编码蛋白包含117个氨基酸,理论等电点为8.93,为不稳定性蛋白。牡丹nsLTP蛋白为疏水性蛋白,含有信号肽但不含跨膜结构域,NetPho Server预测其含有8个丝氨酸和3个酪氨酸磷酸化位点及5个苏氨酸磷酸化位点。PsnsLTP蛋白具有植物LTP蛋白典型结构,即4个α-螺旋,4对二硫键,1个可结合和容纳脂质分子的疏水结构。多序列比对及系统发育树分析显示,PsLTP蛋白与绒毛烟草LTP蛋白(XP_009608993.1)的相识度62.7%,且进化树聚为同一小分支,遗传距离较近。[结论]通过对牡丹nsLTP基因特性及蛋白结构研究,系统性研究了牡丹nsLTP基因的生物信息学特性,为牡丹抗病抗逆功能基因的研究提供了依据,也为其他植物nsLTP基因研究提供了参考。

犬葡萄糖激酶调节蛋白的生物信息学分析

试验旨在探讨犬葡萄糖激酶调节蛋白(glucokinase regulatory protein,GCKR)的结构、功能及表达。试验采用生物信息学方法对犬GCKR蛋白的理化性质、亲/疏水性、同源性和保守基序、信号肽和跨膜区、二级结构、结构域、三级结构、磷酸化修饰、相互作用蛋白质和GO注释、亚细胞定位、基因结构、启动子和转录调控进行了研究。结果显示:犬GCKR蛋白是一种不稳定酸性亲水蛋白质,与马的亲缘关系较近,没有信号肽和跨膜区;二级结构由α-螺旋(47.36%)、延伸链(12.00%)、β-转角(4.48%)和无规则卷曲(36.16%)构成,含有2个糖异构酶结构域;三级结构以马GCKR蛋白为模板构建且质量较高。犬GCKR蛋白含有28个磷酸化位点,其相互作用蛋白包括葡萄糖激酶、酰胺水解酶结构域2、锌指蛋白512等,并参与糖代谢,主要定位于内质网;其基因具有19个外显子和18个内含子,启动子位于第1 302~1 352 bp,转录因子如Ncx、POU1F1a、C/EBPdelta可与启动子结合。研究表明,犬GCKR蛋白可能参与犬糖尿病的发生机制,可作为研发相关药物的潜在靶标。

生物信息学分析葡聚糖蔗糖酶的结构和功能特性

葡聚糖蔗糖酶是一种重要的糖基转移酶(Glucosyltransferase,GTF),对于乳酸菌合成胞外多糖具有关键作用,能够以蔗糖为底物合成葡聚糖或低聚糖,是乳酸菌(Lactic acid bacteria,LAB)合成胞外多糖(Exopolysaccharide,EPS)的关键酶蛋白。然而乳酸菌代谢系统复杂,EPS生物合成机制未得到全面解析,限制了EPS的应用。为了进一步解析乳酸菌EPS的生物合成机制,表征不同来源葡聚糖蔗糖酶的结构,探明酶的催化调控机制是必要手段。本研究以肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)DRP105的葡聚糖蔗糖酶gtfB基因为目标序列,利用生物信息学技术对葡聚糖蔗糖酶GtfB结构和功能进行了预测分析。研究结果显示:GtfB属于GH70家族,是一种胞外酶,不存在跨膜区,含有7个保守区域和39条重复序列。其理论分子量为308986.21,理论等电点为4.59,属于酸性蛋白质。磷酸化位点含110个Thr、89个Ser、53个Tyr,GtfB含有5个结构域,呈U型折叠,活性中心在A结构域,含有(β/α)8桶状结构。分子对接预测分析表明,蔗糖与GtfB的活性口袋结合紧密。这些结果初步探明了GtfB具有葡聚糖蔗糖酶的特征结构和功能,证明其在乳酸菌EPS合成途径中的关键调控作用,为其在EPS生产过程中的应用提供了理论基础。

基于生物信息学筛查CLEC3B蛋白及其在脓毒症诊断中的作用

目的:研究正常人与脓毒症患者血清差异表达蛋白中C-型凝集素域家族3成员B(CLEC3B)蛋白,探讨目标CLEC3B蛋白作为脓毒症分子标志物的可能性。方法:收集10名健康志愿者(健康组)和18例脓毒症患者(脓毒症组)外周血,利用数据独立采集法对外周血清蛋白数据进行采集,数据上传至i DEP在线平台分析脓毒症患者外周血中差异表达蛋白。并对这些差异蛋白进行生物信息学分析,筛选出脓毒症关键蛋白。酶联免疫吸附法(ELISA)验证并绘制关键蛋白受试者工作特征(ROC)曲线。结果:蛋白质组学分析筛选出138个差异表达蛋白(DEPs),其中34个蛋白显著下调,104个蛋白显著上调。DEPs主要富集在细胞过程、生物调节、生物过程调节、参与绑定、催化活化、分子功能监管、免疫系统、信号转导等。DEPs构建蛋白-蛋白相互作用网络(PPI)筛选出感兴趣的关键蛋白CLEC3B。ELISA实验表明脓毒症组患者CLEC3B蛋白浓度(297.73±22.00)ng/ml显著低于健康组(452.42±191.72)ng/ml,差异具有统计学意义(t=13.13,P=0.000)。CLEC3B蛋白的ROC曲线下面积为0.998,灵敏度为97.73%,特异度为100.0%。结论:CLEC3B蛋白在脓毒症组中显著降低,其灵敏度高,特异度高,可以作为脓毒症潜在的生物学诊断标志物。临床试验注册号中国临床试验注册中心,ChiCTR1900021261。

美洲水貂TYRP1基因编码蛋白质结构及功能的生物信息学分析

基于生物基因组学数据库,对美洲水貂酪氨酸酶相关蛋白质1(TYRP1)基因进行生物信息学分析,为其遗传特性及编码蛋白质功能机制的研究提供基础数据。生物信息学分析结果表明,美洲水貂TYRP1基因共编码537个氨基酸,其编码产物为不稳定的亲水蛋白质。二级结构主要以α-螺旋和无规卷曲为主,含有1个酪氨酸酶超家族结构域,存在信号肽、跨膜结构域和二硫键。该蛋白质主要在内质网中发挥细胞被膜、运输和结合的作用,同时还通过信号转导在细胞内发挥其生物学作用。系统进化情况和动物分类学基本一致,美洲水貂和雪貂的亲缘关系最近。美洲水貂TYRP1基因编码蛋白质在生物进化中具有较强保守性,该基因结构和功能的分析为水貂TYRP1基因遗传特性的进一步研究奠定了基础。

Neuritin结构组成分析及其相互作用蛋白生物信息学预测

目的对Neuritin的理化性质及结构组成,蛋白质相互作用网络进行生物信息学预测分析,为进一步研究Neuritin的功能和作用机制提供新的思路与方向。方法应用Protscale和ProtParam、TMHMM、SignalP、PSORTⅡ、NetNGlyc、NetOGlyc和Netphos等软件,分析Neuritin的理化性质、跨膜结构、信号肽结构、亚细胞定位以及翻译后修饰位点;利用Protean、tFold以及AlaphFold等软件和数据库,分析Neuritin的二级和三级结构;同时,利用STRING数据库构建Neuritin蛋白质相互作用网络。结果Neuritin的相对分子质量为15332.77,理论等电点(PI)为6.54。不稳定系数27.26,属于较稳定蛋白;脂肪系数98.31;总平均亲水性0.208,属于疏水性蛋白;Neuritin表达产物N端27个氨基酸为信号肽,C端27个氨基酸为GPI锚定序列,为跨膜区;其亚细胞定位及可能性分别为胞外(34.8%)、细胞膜(34.8%)、内质网(17.4%)及高尔基体(13.0%);无N糖基化及O糖基化位点,存在11个磷酸化位点;由5段α-螺旋构成其主体结构;相互作用蛋白网络包括离子型谷氨酸受体AMPA(Gria)家族、嗅觉介导素(Olfm)家族等10个蛋白。结论Neuritin为经典的分泌蛋白,具有多个磷酸化氨基酸残基的潜在位点,整体呈现疏水性质,可能通过Gria蛋白家族发挥兴奋性突触传递作用,通过Cacng2蛋白调控胞内钙通路产生生物学效应,本研究为进一步探讨Neuritin的功能及发挥作用的机制提供了依据。

酒精性肝炎自噬关键基因的筛选及生物信息学分析

目的筛选酒精性肝炎(AH)的自噬关键基因,探讨AH潜在的生物标志物和治疗靶点。方法采用基因表达综合数据库(GEO)中的2个AH基因芯片和从MSigDB、GeneCards数据库中获得的自噬相关数据集,通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)获取关键基因。对筛选的关键基因进行基因本体(GO)、京都基因和基因组百科全书(KEGG)功能富集分析,蛋白质相互作用(PPI)分析,免疫浸润分析,构建信使RNA(mRNA)-微小RNA(miRNA)网络,进行酒精性肝病不同分期的自噬相关关键基因的表达差异分析,并进一步通过实时荧光定量逆转录聚合酶链反应(RT-qPCR)在AH患者和小鼠肝脏组织中验证。结果本研究筛选得到了11个与AH自噬相关的基因(EEF1A2、CFTR、SOX4、TREM2、CTHRC1、HSPB8、TUBB3、PRKAA2、RNASE1、MTCL1、HGF),均为上调基因。在AH患者和小鼠肝脏组织中,SOX4、TREM2、HSPB8、PRKAA2在AH组中的相对表达量均高于对照组。结论SOX4、TREM2、HSPB8、PRKAA2可能是AH潜在的生物标志物和治疗靶点。

基于蛋白质组学技术的乌苏里貉高繁殖性状相关蛋白的筛选

为了筛选与繁殖性能相关的显著差异表达蛋白及信号通路,试验采用TMT(tandem mass tag)标记蛋白定量技术与生物信息学分析方法,对高产(产仔数在11只以上)与低产(产仔数在7只以下)乌苏里貉卵巢组织进行差异表达蛋白筛选,GO功能注释、KEGG信号通路富集分析。结果表明:在乌苏里貉卵巢组织中共鉴定到4915种蛋白,其中372种为显著差异表达蛋白(P≤0.05,差异倍数≥1.2或≤0.83),上调307种,下调65种。差异表达蛋白主要参与了羧酸代谢过程、胞内氨基酸代谢过程、转录起始、胞内脂代谢过程、磷脂代谢过程、GTP生物合成过程、UTP生物合成过程、CTP生物合成过程等生物学过程,主要参与了组氨酸代谢、氨酰-tRNA生物合成、N-聚糖生物合成、β-丙氨酸新陈代谢、PI3K-Akt信号通路、mTOR信号通路等16条信号通路;有11种差异表达蛋白与卵泡发育和排卵相关。蛋白网络互作分析获得10种核心蛋白,参与了蛋白折叠和蛋白合成。说明试验筛选到的显著差异表达蛋白可能与乌苏里貉的产仔数相关。