工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

DRSP：蛋白质单残基替换结构数据库

蛋白质残基替换是基因突变的产物之一,它可能改变蛋白质三维结构,对其生物学功能产生重大影响,因此研究蛋白质残基替换与结构改变的关系具有重要意义．随着实验解析蛋白质结构的数量迅猛增长,越来越多的野生型-突变体被应用于结构生物学的比较研究中．本研究从蛋白质三维结构数据库(PDB)出发,收集和计算了大量结构特征数据,构建了一个目前已知最大的野生型-突变体(单残基差异)的结构对数据库DRSP,展示出氨基酸类型和主链偏好性对结构保守性的相关性．DRSP的开放使用可为高精度的蛋白质结构分析预测提供有用信息,它的数据库网址是http://www.labshare.cn/drsp/index.php．     

无序蛋白质的判定及其结构、功能和进化特征

固有无序蛋白质(intrinsically disordered proteins,IDPs)是天然条件下自身不能折叠为明确唯一的空间结构,却具有生物学功能的一类新发现的蛋白质.这类蛋白质的发现是对传统的"结构-功能"关系认识模式的挑战.本文首先总结了无序蛋白质的实验鉴定手段、预测方法、数据库;并介绍了无序蛋白质结构(包括一级结构、二级结构、结构域无序性及变构效应)和功能特征;然后重点总结了无序蛋白质在进化角度研究的进展,包括无序区域产生的进化机制、进化速率,蛋白无序性的进化在蛋白质功能进化及生物学复杂性增加等方面的重要作用;最后展望了无序蛋白质在医药方面的应用前景.本文对于深入认识无序蛋白质的形成机制、结构和功能特征及其潜在的临床应用前景具有重要意义.     

蛋白质结构预测进展

蛋白质的序列决定结构,结构决定功能。新一代准确的蛋白质结构预测工具为结构生物学、结构生物信息学、药物研发和生命科学等许多领域带来了全新的机遇与挑战,单链蛋白质结构预测的准确率达到与试验方法相媲美的水平。本综述概述了蛋白质结构预测领域的理论基础、发展历程与最新进展,讨论了大量预测的蛋白质结构和基于人工智能的方法如何影响实验结构生物学,最后,分析了当前蛋白质结构预测领域仍未解决的问题以及未来的研究方向。     

蛋白质结构与功能中的结构域

结构域是蛋白质亚基结构中的紧密球状区域.结构域作为蛋白质结构中介于二级与三级结构之间的又一结构层次,在蛋白质中起着独立的结构单位、功能单位与折叠单位的作用.在复杂蛋白质中,结构域具有结构与功能组件与遗传单位的作用.结构域层次的研究将会促进蛋白质结构与功能关系、蛋白质折叠机制以及蛋白质设计的研究.     

人类蛋白质结构互作网络——结构域对网络拓扑与蛋白质功能的影响

高通量的蛋白质互作数据与结构域互作数据的出现,使得在蛋白质组学领域内研究人类蛋白质结构互作网络,进一步揭示蛋白质结构与功能间的潜在关系成为可能.蛋白质上广泛分布的结构域被认为是蛋白质结构、功能以及进化的基本功能单元.然而,结合蛋白质的结构信息(例如蛋白质结构域数目、长度和覆盖率等)来研究这些表象后的内部机制仍然面临着挑战.将蛋白质分为单结构域蛋白质与多结构域蛋白质,并进一步结合蛋白质互作信息与结构域互作信息构建了人类蛋白质结构互作网络;通过与人类蛋白质互作网络进行比较,研究了人类蛋白质结构互作网络的特殊结构特征;对于单结构域蛋白质与多结构域蛋白质,分别进行了功能富集分析、功能离散度分析以及功能一致性分析等.结果发现,将结构域互作信息综合考虑进来后,人类蛋白质结构互作网络可以提供更多的单纯的蛋白质互作网络无法提供的细节信息,揭示蛋白质互作网络的复杂性.     

蛋白质结构研究

生物大分子的功能主要取决于它们的三维结构、运动及相互作用。对蛋白质结构的解析可以从根本上阐明蛋白质功能的分子机制和基础,同时也是研究蛋白质功能的一个重途径。本文简述了当前蛋白质结构研究的主要手段,如X射线晶体学、核磁共振波谱学和三维电镜重构方法学等及其优缺点和适用性,总结了目前蛋白质结构研究进展并对将来的发展方向进行了一些探讨。尽管上述三种主要的研究方法已经比较成熟,而且在适用对象和实验方法上有很好的相互补充,但还是有相当多的生物学问题在结构水平上得不到解释和支持。因此,本文对目前蛋白质结构研究的热点和难点——膜蛋白和蛋白质复合物的研究现状和方法做了简要的概述,希望能够引起广大同行的关注。     

蛋白质晶体学技术的发展与展望

从50年前英国科学家解析出第一个蛋白质晶体结构以来,蛋白质晶体学历经数个里程碑式的发展,已经成为一门成熟的高科技学科,是结构生物学的主要研究手段。近年来结构生物学发展迅速并和其他学科相互渗透交叉,特别是受到结构基因组学等热点学科的极大带动。作为结构生物学的基本手段和技术,蛋白质晶体学从解析简单的蛋白质三维结构延伸到解决各类生物大分子及复合物结构,并更加注重研究结构与功能之间的相互关系,派生出诸如基于结构的药物设计等应用性很强的分支。生物技术及计算机技术的飞速发展,尤其是高通量技术在生物学领域的应用,为蛋白质晶体学带来了全新的概念和更加广阔的前景。文章将主要介绍蛋白质晶体学技术的一些历史发展以及对未来的展望。     

蛋白质二级结构指定

蛋白质二级结构是指蛋白质骨架结构中有规律重复的构象。由蛋白质原子坐标正确地指定蛋白质二级结构是分析蛋白质结构与功能的基础,二级结构的指定对于蛋白质分类、蛋白质功能模体的发现以及理解蛋白质折叠机制有着重要的作用。并且蛋白质二级结构信息广泛应用到蛋白质分子可视化、蛋白质比对以及蛋白质结构预测中。目前有超过20种蛋白质二级结构指定方法,这些方法大体可以分为两大类:基于氢键和基于几何,不同方法指定结果之间的差异较大。由于尚没有蛋白质二级结构指定方法的综述文献,因此,本文主要介绍和总结已有蛋白质二级结构指定方法。     

生物体内多胺对蛋白质影响的研究进展

多胺是普遍存在于生物体中的一种脂肪族阳离子胺。多胺通过离子键和氢键的形式与生物大分子结合,调节生物大分子的生物学活性,调控细胞的生长和发育。多胺对核酸的作用一直是关注热点,而针对蛋白质的影响目前研究较少。本文主要针对多胺调控代谢相关酶、通道蛋白质和其他功能性蛋白质以及相关规律和机制进行综述,并从蛋白质结构和功能角度探讨了多胺与蛋白质之间的相互作用关系,同时总结了多胺与蛋白质相互作用研究在疾病治疗中的应用前景和面临的问题。     

蛋白质与DNA相互作用的结构研究

蛋白质与核酸相互作用是生命体内两类最重要的生物大分子,它们之间的相互作用是行使细胞功能的关键,例如:基因复制、转录以及蛋白质的表达翻译等。目前有很多基于蛋白质与DNA复合物的结构研究,这些研究表明蛋白质-DNA的相互作用有很多种方式,所以并不能采用某一种规则或者算法来预测蛋白质与DNA的相互作用,本文主要综述了蛋白质与DNA的相互作用的常用数据库以及结构的特点。     

固有无序蛋白研究进展及其对细胞胁迫耐受性的影响

固有无序蛋白(intrinsically disordered proteins,IDPs)是指在生理条件下缺乏有序稳定的高级结构,整体或局部不折叠,但能够参与多种生物学过程、行使特定生物学功能的一类蛋白质.固有无序蛋白决定了其不同于经典蛋白质"序列-结构-功能"的功能范式,丰富了蛋白质"结构-功能"的多样性.固有无序...     

核磁共振波谱法在蛋白质三维结构解析中的应用

蛋白质特定的三维结构与其生物功能密切相关,因此,研究蛋白质的三维结构有助于揭示其生物功能机制。将核磁共振（NMR）波谱法应用于研究溶液状态下蛋白质的三维结构,能够更加准确地揭示蛋白质结构与生物功能之间的关系。本文综述了NMR解析蛋白质三维结构的理论和技术方法,以及NMR结合其他生物物理手段,并辅以分子建模计算法研究蛋白质三维结构的研究进展和最新方法,为精准解析蛋白质的三维结构提供思路及策略。     

顺磁弛豫增强效应在蛋白质结构及动力学上的应用

未成对电子与观测核之间的偶极—偶极相互作用所引起的顺磁弛豫增强效应能够提供丰富的长程结构信息。近年来,人们在生物大分子中引入顺磁性物质,将这一独特的长程结构信息应用到蛋白质研究的方方面面,这使得顺磁NMR成为结构生物学中颇有潜力的"新"工具。本文综述了顺磁弛豫增强效应在蛋白质三维结构解析、蛋白质相互作用以及蛋白质动力学研究等方面的最新应用。     

预测蛋白质可结晶性研究进展

解析蛋白质的三维结构具有重要的生物学意义,更是蛋白质功能研究和理性药物设计的基础。目前解析蛋白质结构最重要的方法是X-射线衍射晶体学解析技术。但是运用该技术解析蛋白质结构的关键是获得高质量的蛋白质晶体。然而,据统计仅有42%的可溶纯化蛋白质能够得到晶体,即不同蛋白质的可结晶性表现不同。由于实验方法验证蛋白质的可结晶性耗时耗力,因此,有研究者运用计算机模拟的方法预测蛋白质的可结晶性,从而节省资源与成本并且提高实验的成功率。本文结合我们的研究工作,介绍了几种目前较为成功的蛋白质可结晶性预测方法及其研究途径。     

辛德毕斯病毒蛋白质结构与功能的研究进展

本文在中国预防医学科学院病毒学研究所病毒基因工程国家重点实验室合作完成. 辛德毕斯病毒(Sindbis virus)属于披膜病毒科(Togaviridae)甲病毒属(Alphavirus).该病毒无论在病毒形态、病毒结构与病毒复制等方面均集中体现了动物病毒的许多具有普遍性的基本特性.因此对该病毒的研究,尤其是病毒功能蛋白质结构与功能的研究不仅能够回答该病毒本身的分子致病机理,而且从中得出的信息对于其它动物病毒的研究也具有借鉴意义[1].近年来,通过对辛德毕斯病毒各功能蛋白质的晶体结构的研究,对其结构与功能的关系积累了大量材料,取得重要进展,本文概述如下.     

蛋白质芯片技术

以前对蛋白质的研究集中在一次研究一种蛋白质 ,通常费时费力 ;而蛋白质芯片技术是研究蛋白质组的新技术 ,是高通量、微型化和自动化的蛋白质分析技术。它可以用来研究蛋白质的亚细胞定位和蛋白质与蛋白质之间的相互作用 ,以及对蛋白质的功能进行生物化学分析 ,将对蛋白质组研究及医学生物学的发展有很大的推动作用。较系统地介绍了蛋白质芯片的概念、制作及检测方法 ;同时也讨论了蛋白质芯片的两种功能形式、存在问题和应用前景。     

燐光探针技术--蛋白质研究的新方法

为了研究蛋白质复杂的结构和特殊的生物学功能,人们采用了各种各样的技术:X-射线衍射技术、圆二色谱技术、超离心技术、各种层析、电泳技术及荧光、烧光光谱技术.这些技术相互补充,相互印证,是研究蛋白质结构、功能和动力学的得力工具.尤其是近年来,由于燐光探针技术在研究水溶液中蛋白质分子疏水微区内不同基团间距离、局部结构柔性、动力学性质及构象变化等独特的优势而引起人们的广泛关注.     

蛋白质磁共振——从结构生物学到结构基因组学

在后基因组时代,随着大量物种全基因组序列的获得,结构生物学家面临着结构基因组学的新机遇和挑战。与传统的结构生物学不同的是,结构基因组学的研究主要集中在结构和功能未知并且与从前研究的蛋白质相似性很小的蛋白质。准确的来讲,结构基因组学通过高通量蛋白质表达、结构解析来完成所有蛋白质家族的结构表征,从而能够通过结构预测功能。加州结构基因组学联合实验室发展了高度自动化的蛋白质合成、结晶、结构解析生产线。然而由于一些蛋白质不能被结晶,要想覆盖所有蛋白质结构域还有很大困难。Wuthrich的研究小组通过一些高通量的目的蛋白质筛选和NMR结构解析的方法解决了这一难题。与X射线晶体学解析蛋白质结构相比,NMR技术由于能够解析更接近生理状态的溶液结构而具有互补性。通过获得溶液中的蛋白质稳定性、动力学特征和相互作用信息,正如在朊蛋白和SARS相关蛋白的研究中所表现的那样,NMR技术从扩大已知的蛋白质结构数据库、新的蛋白质功能到化学生物学研究中都扮演着激动人心的角色。     

两种实验技术在蛋白质-蛋白质相互作用检测中的应用

蛋白质是生命活动的主要承担者.蛋白质种类繁多,结构多样,具有十分广泛的生物学功能,可作为载体蛋白、酶蛋白和信号肽等参与调控细胞内的各种代谢活动.生物体内蛋白质与其他分子的相互作用,尤其是蛋白质-蛋白质之间的相互作用,是蛋白质行使这些重要生物学功能的基础.通过研究可以相互作用的蛋白质形成的各种复合体,对揭示蛋白质的功能,...