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1、蛋白质结构与功能预测,1,骄阳书苑,实习课程内容,基因组学,转录物组学,蛋白质组学,系统生物学,2,骄阳书苑,3,骄阳书苑,蛋白质序列分析主要内容,4,骄阳书苑,蛋白质结构预测过程,ORF翻译,实验数据,蛋白质序列,蛋白质理化性质 和一级结构,数据库搜索,结构域匹配,已知结构的 同源蛋白？,三维结构模型,可用的折 叠模型？,5,骄阳书苑,ExPASy（Expert Protein Analysis System）Tools（http:/expasy.org/tools/）,6,骄阳书苑,一、蛋白质理化性质分析 使用工具：Protparam 二、跨膜区分析 使用工具：Tmpred 三、二级结构分
2、析 使用工具：PredictProtein Server 四、结构域分析 使用工具：InterProScan 五、蛋白质三级结构分析 使用工具：SWISS-MODEL/SWISS-PdbViewer 数据： C:ZCNIshixi4protein.txt,课程安排,7,骄阳书苑,一、蛋白质基本理化性质分析,蛋白质理化性质是蛋白质研究的基础 蛋白质的基本性质： 相对分子质量 氨基酸组成 等电点（PI） 消光系数 半衰期 不稳定系数 总平均亲水性 实验方法： 相对分子质量的测定、等电点实验、沉降实验 缺点：费时、耗资 基于实验经验值的计算机分析方法,8,骄阳书苑,蛋白质理化性质分析工具,9,骄阳书
3、苑,AACompIdent,PeptideMass,10,骄阳书苑,Protparam,基于蛋白质序列的组分分析 氨基酸亲疏水性等分析为高级结构预测提供参考 Expasy 开发的针对蛋白质基本理化性质的分析： Protparam 工具 http:/www.expasy.org/tools/protparam.html,计算以下物理化学性质： 相对分子质量 氨基酸组成 等电点（PI） 消光系数 半衰期 不稳定系数 总平均亲水性 ,11,骄阳书苑,主要选项/参数,如果分析SWISS-PORT和TrEMBL数据库中序列 直接填写Swiss-Prot/TrEMBL AC号(accession numb
4、er) 如果分析新序列： 直接在搜索框中粘贴氨基酸序列,12,骄阳书苑,输入Swiss-Prot/TrEMBL AC号分不同的功能域肽段,输出结果,13,骄阳书苑,返回结果,正/负电荷残基数,14,骄阳书苑,原子组成,分子式,总原子数,15,骄阳书苑,不稳定系数,脂肪系数,总平均亲水性,40 unstable,16,骄阳书苑,练习一：Protparam,http:/www.expasy.org/tools/protparam.html 数据：C:ZCNIshixi4protein.txt,17,骄阳书苑,(a)-Type I membrane protein (b)-Type II membr
5、ane protein (c)-Multipass transmembrane proteins (d)-Lipid chain-anchored membrane proteins (e)-GPI-anchored membrane proteins,二、蛋白质跨膜区分析,18,骄阳书苑,螺旋跨膜区主要是由20-30个疏水性氨基酸（Leu、Ile、Val、Met、Gly、Ala等）组成 亲水残基往往出现在疏水残基之间，对功能有重要的作用 基于亲/疏水量和蛋白质膜区每个氨基酸的统计学分布偏好性量,蛋白质跨膜区特性,19,骄阳书苑,跨膜蛋白序列“边界”原则 -Landolt Marticoren
6、a et al., 1993,胞外末端Asp（天冬氨酸）、Ser（丝氨酸）和Pro（脯氨酸） 胞外-内分界区域Trp（色氨酸） 跨膜区Leu（亮氨酸）、Ile（异亮氨酸）、Val（缬氨酸）、Met（甲硫氨酸）、Phe（苯丙氨酸）、Trp（色氨酸）、Cys（半胱氨酸）、Ala（丙氨酸）、Pro（脯氨酸）和Gly（甘氨酸） 胞内-外分界区域Tyr（络氨酸）、Trp（色氨酸）和Phe（苯丙氨酸） 胞内末端Lys（赖氨酸）和Arg（精氨酸）,20,骄阳书苑,常用蛋白质跨膜区域分析工具,21,骄阳书苑,TMpred,TMpred工具：http:/www.ch.embnet.org/software/TM
7、PRED_form.html 依靠跨膜蛋白数据库Tmbase 预测跨膜区和跨膜方向,22,骄阳书苑,主要参数/选项,序列在线提交形式： 直接贴入蛋白序列 填写SwissProt/TrEMBL/EMBL/EST的ID或AC,23,骄阳书苑,输出结果,包含四个部分 可能的跨膜螺旋区 相关性列表,24,骄阳书苑,跨膜拓扑模型及图示,25,骄阳书苑,TMHMM,26,骄阳书苑,27,骄阳书苑,练习二：TMpred,http:/www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html 数据：C:ZCNIshixi4protein.txt,28,骄阳书苑,三、蛋白质二级结构预
8、测,基本的二级结构 螺旋，折叠， 转角，无规则卷曲（coils）以及模序（motif）等蛋白质局部结构组件 分析方法： 基于统计和机器学习方法进行预测 Chou-Fasman算法 GOR算法 多序列列线预测 基于神经网络的序列预测 基于已有知识的预测方法 （knowledge based method） 混合方法（hybrid system method）,29,骄阳书苑,蛋白质二级结构分析工具,30,骄阳书苑,蛋白质二级结构分析工具,31,骄阳书苑,32,骄阳书苑,PredictProtein,PredictProtein http:/www.predictprotein.org/ 可以获得
9、功能预测、二级结构、基序、二硫键结构、结构域等许多蛋白质序列的结构信息 该方法的平均准确率超过72%，最佳残基预测准确率达90%以上。因此，被视为蛋白质二级结构预测的标准,33,骄阳书苑,PredictProtein提交界面,34,骄阳书苑,35,PredictProtein提交界面详解,提交邮件 地址（必填）,蛋白名称（可选）,分析方法,35,骄阳书苑,分析方法程序详解,36,骄阳书苑,37,跨膜螺旋预测（PHDhtm）高级选项,Ambivalent序列识别（ASP）高级选项,CHOP结构域分析工具高级选项,37,骄阳书苑,38,比对内容,从SWISS-PROT数据库返回BLAST搜索结果,
10、MaxHom参数选项,最低序列比对一致性,空位间隔罚分,空位延伸罚分,比对矩阵,最大击中值,38,骄阳书苑,39,选择保存分析结果,是否返回多序列比对结果,HTML结果形式,AGAPE结果,PROF/PHD结果形式,以下拉框中所指定的输入格式将待测序列粘贴此提交栏,39,骄阳书苑,PredictProtein分析结果,40,骄阳书苑,PredictProtein分析结果,41,骄阳书苑,PredictProtein分析结果,42,骄阳书苑,PredictProtein分析结果,43,骄阳书苑,四、结构域分析,结构域是蛋白序列的功能、结构和进化单元 分析方法 序列比对,44,骄阳书苑,基本类型
11、：,折叠,折叠,/折叠,+折叠,45,骄阳书苑,模体、结构域数据库,46,骄阳书苑,模体、结构域数据库,47,骄阳书苑,序列提交框,InterProScan,InterProScan- http:/www.ebi.ac.uk/InterProScan/,48,骄阳书苑,Picture View,49,骄阳书苑,InterPro蛋白家族信息,50,骄阳书苑,InterPro蛋白家族信息,51,骄阳书苑,InterPro蛋白家族信息,该家族蛋白在不同种类生物体中出现情况,其他家族与该家族的重叠情况,52,骄阳书苑,练习四：InterProScan,http:/www.ebi.ac.uk/Inter
12、ProScan/ 数据：C:ZCNIshixi4protein.txt,53,骄阳书苑,五、蛋白质三维结构预测,54,骄阳书苑,蛋白质结构预测精度,55,骄阳书苑,同源建模法分析步骤： 多序列比对 与已有晶体结构的蛋白质序列比对 确定是否有可以使用的模板 序列相似度30% 序列相似度30%，结合功能，蛋白质一级序列、二级结构或结构域信息 构建三维模型 三维模型准确性检验 Whatcheck 程序 Ramachandran plot计算检验 手工调整多序列比对，重新拟和，构建新的模型,56,骄阳书苑,57,骄阳书苑,58,骄阳书苑,59,骄阳书苑,60,骄阳书苑,61,骄阳书苑,SWISS-MO
13、DEL/SWISS-PdbView,SWISS-MODEL工具 http:/www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html 同源建模方法 与PDB数据库已知结构的蛋白质序列比对进行预测,62,骄阳书苑,一步模式,比对模式,优化模式,63,骄阳书苑,主要参数/选项,64,骄阳书苑,输出结果,65,骄阳书苑,比对结果,66,骄阳书苑,模型评估,67,骄阳书苑,练习五：SWISS-MODEL,http:/www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html 数据：C:ZCNIshixi4SWISS-MODEL.txt 参考：http:/swi
14、ssmodel.expasy.org/course/course-index.htm,68,骄阳书苑,常用蛋白质三维结构观察和修改工具,69,骄阳书苑,SWISS-PdbViewer观察三维模型,SWISS-PdbViewer工具 http:/swissmodel.expasy.org/spdbv/,70,骄阳书苑,具有以下功能:,（1）使用同源建模的方法预测蛋白质结构； （2）计算电荷分布，估算易受影响的表面； （3）计算并显示不合理的原子接触、氢键、角度； （4）人工编辑序列，如氨基酸突变、loop区域重建、旋转指定的化 学键，并通过能量最小化（energy minimization）调整修饰后蛋白质的结构； （5）测量原子之间距离和角度； （6）利用Ramachandran plot观察蛋白质结构的合理性。,71,骄阳书苑,软件界面,72,骄阳书苑,Ramachandran图,结构叠加,73,骄阳书苑,应用：药物设计中的蛋白质-配体对接,将对接算法应用于虚拟筛选，从小分子库中寻找潜在的配体分子。这样的分子可作为药物的先导物。,74,骄阳书苑,常用分子对接软件,75,骄阳书苑,常用小分子数据库,76,骄阳书苑,77,骄阳书苑,Thanks！,78,骄阳书苑,