mRNA的序列,结构以及翻译速率与蛋白质结构的关系

ｍＲＮＡ所包含的核苷酸序列通过三联体密码子决定了蛋白质的氨基酸序列,但是,由于对氨基酸同义密码使用频率上的差异,密码子与反密码子相互作用效率上的不同,以及密码子上下文关系和ｍＲＮＡ不同区域二级结构上的差异,造成了核糖体对ｍＲＮＡ不同区域翻译速度上的差异,加之共翻译折叠的作用,使得ｍＲＮＡ的序列和结构影响着蛋白质空间结构的形成。     

蛋白质折叠速率预测研究进展

蛋白质折叠速率预测是当今生物物理学最具挑战性的课题之一。近年来,该领域的研究取得了很大的进展,提出了许多经验参数,例如:接触序、长程序、总接触距离、链拓扑参数、二级结构含量、有效长度、螺旋参数、n-阶接触距离等。这些参数都和蛋白质的折叠速率有很好的相关性,基于这些参数的各种预测方法所得到的预测结果也与实验数据较好地吻合。     

蛋白质序列的混合特征值对折叠速率的影响

鉴于蛋白质折叠速率预测对研究其蛋白质功能的重要性,许多的科研工作者都开始对影响蛋白质折叠速率的因素进行研究。各种预测参数和方法被提出。利用蛋白质编码序列的不同特征参数,不同的二级结构及不同的折叠类的蛋白质对折叠速率的不同影响,我们选取蛋白质编码序列的新的特征值,即选取蛋白质序列的LZ复杂度,等电点等特征值。然后把这些特征值与20种氨基酸的属性αc、Cα、K0、Pβ、Ra、ΔASA、PI、ΔGhD、Nm、LZ、Mu、El融合,建立多元线性回归模型,并利用回归模型计算了13个全α类蛋白质、18个全β类蛋白质、13个混合类蛋白质和39个未分类蛋白质的ln（kf）与预测值之间的相关系数分别达到0.89、0.93、0.98、0.86。在Jack-knife方法的验证下发现在不同的结构中混合特征值与相应折叠速率有很好的相关性。结果表明,在蛋白质折叠过程中,蛋白质序列的LZ复杂度、等电点等特征值可能影响蛋白质的折叠速率及其结构。     

mRNA的序列、结构以及翻译速率与蛋白质结构的关系

mRNA所包含的核苷酸序列通过三联体密码子决定了蛋白质的氨基酸序列。但是, 由于对氨基酸同义密码使用频率上的差异, 密码子与反密码子相互作用效率上的不同, 以及密码子上下文关系和mRNA 不同区域二级结构上的差异, 造成了核糖体对mRNA 不同区域翻译速度上的差异, 加之共翻译折叠的作用, 使得mRNA 的序列和结构影响着蛋白质空间结构的形成。     

从氨基酸序列预测蛋白质折叠速率

蛋白质折叠速率预测是当今生物物理学最具挑战性的课题之一．近年来,许多科研工作者开展了大量的研究工作来探索折叠速率的决定因素,许多参数和方法被相继提出．但氨基酸残基间的相互作用、氨基酸的序列顺序等信息对折叠速率的影响从未被提及．采用伪氨基酸组成的方法提取氨基酸的序列顺序信息,利用蒙特卡洛方法选择最佳特征因子,建立线性回归模型进行折叠速率预测．该方法能在不需要任何(显示)结构信息的情况下,直接从蛋白质的氨基酸序列出发对折叠速率进行预测．在Jackknife交互检验方法的验证下,对含有99个蛋白质的数据集,发现折叠速率的预测值与实验值有很好的相关性,相关系数能达到0.81,预测误差仅为2.54．这一精度明显优于其他基于序列的方法,充分说明蛋白质的序列顺序信息是影响蛋白质折叠速率的重要因素．     

蛋白质折叠速率数据集的构建及分析

近年来,随着高精度的蛋白质折叠速率实验数据的不断积累,使得从蛋白质折叠速率角度研究蛋白质折叠机制的理论工作者,迎来了前所未有的机遇和挑战。然而,却有约100多个蛋白质的折叠速率实验数据散落在2个数据库和若干文献中。为了方便今后的理论工作分析,作者将这些散落数据汇集整理出来,构建了一个包含109个非冗余单体野生型蛋白质的折叠速率数据集,称为PFRD109(protein folding rate dataset 109)。PFRD109所包含的109个蛋白质中,有69个二态蛋白和40个多态蛋白,折叠速率从10-4到106s-1,跨度为10个数量级。链长最短的为16 aa,最长为390 aa,二态蛋白平均长度为78 aa,多态蛋白平均长度为137 aa。当前,生物信息学对蛋白质折叠速率的研究,主要集中于寻找与折叠速率和折叠动力学相关的各种生化参数或拓扑参数,进而实现对蛋白质折叠速率和蛋白质折叠动力学类型的预测。因此,本文还针对PFRD109数据集,就这两个方面进行了一些参数的统计分析。     

从量子跃迁观点对蛋白质折叠速率的统计分析

理解蛋白质折叠速率是探明蛋白质结构和折叠机制物理基础的关键.蛋白质折叠速率的温度依赖关系是当前一个未解决的难题.假定蛋白质折叠是一个分子构象间的量子跃迁,导出了一个蛋白质折叠速率的解析公式.由此公式出发,计算了资料库中二态蛋白质的折叠速率和研究了它们的温度依赖性.从第一性原理出发,对实验给出的16个二态蛋白质折叠速率的非阿列尼乌斯(non-Arrhenius)温度关系给予成功解释,进而预测了这些蛋白质解折叠速率的温度依赖关系.依据量子折叠理论,给出了一个预测二态蛋白质折叠速率的统计公式,用于65个蛋白的资料库,理论和实验比较的相关系数为0.73.此外,理论还给出了与实验结果一致的最大和最小折叠速率估计.     

翻译速率与蛋白质二级结构的关系

统计分析了人的 119种蛋白质和大肠杆菌的 92种蛋白质密码子翻译速率和蛋白质二级结构的关系。据m 密码子片段在不同二级结构中的频数分布 ,我们发现人和大肠杆菌中翻译速率与蛋白质二级结构之间有一定关系 :高翻译速率时倾向编码α螺旋、不倾向编码线团 (coil) ;低翻译速率时倾向编码线团、不倾向编码α螺旋 ;β折叠结构则随翻译速率表现出明显的振荡。同时 ,密码子的使用在不同片段内一般也是不均匀的 :在α螺旋片段内 ,结构尾部偏向使用高翻译速率密码子 ;中部倾向使用中翻译速率密码子 ;而头部使用的密码子翻译速率偏低。这样的倾向性不大可能归结为随机起伏的影响。     

怎样理解β—折叠属于蛋白质二级结构

不少中学生物学教师对β-折叠划为蛋白质二级结构提出疑问,疑问的主要点是:蛋白质的二级结构是指一条多肽链的折叠盘绕方式,而β-折叠(不论是平行的或是反平行的)都是两条以上肽链折叠盘绕而成,一条与两条以上显然是不相等的。而所有研究蛋白质的论著都毫无置疑地把β-折叠列为二级结构,这应该怎样理解呢?本文试浅析如下: 二级结构的概念和特征蛋白质的分子量很大(约六千到一百万之间)。结构十分复杂。为了研究的方便,1952年Linderstrφm—Lang首先将蛋白质的结构划     

动力学接触序: 基于量子跃迁的蛋白质折叠速率参数

把蛋白质折叠看成多肽链上扭转态间的量子跃迁, 依据构象动力学的量子理论, 提出用接触残基间多肽链转动惯量和扭转势能来表征接触特性的动力学接触序, 从而能定量地从动力学角度研究蛋白质折叠速率. 在80个蛋白的数据集上实验, 证实了构象量子跃迁观点的合理性并得到以下结论: (1) 折叠速率与接触转动惯量之间存在显著相关性; (2) 多态蛋白的折叠可以看成在同样转动惯量、温度等条件下的二态蛋白折叠基础上的中间态延迟, 并估计了延迟时间的数量级; (3) 折叠可以分为释能和吸能两类, 蛋白质折叠速率上限由释能折叠决定, 并导出大多数折叠速率大的二态蛋白的量子跃迁过程为释能反应, 而折叠速率小的多态蛋白为吸能反应.     

Loop Folds in Proteins and Evolutionary Conservation of Folding Nuclei

Abstract

We show that loops of close contacts involving hydrophobic residues are important in protein folding. Contrary to Berezovsky and Trifonov (J. Biomol. Struct. Dyn. 20, 5–6, 2002) the loops important in protein folding usually are much larger in size than 23–31 residues, being instead comparable to the size of the protein for single domain proteins. Additionally what is important are not single loop contacts, but a highly interconnected network of such loop contacts, which provides extra stability to a protein fold and which leads to their conservation in evolution.     

蛋白质折迭的不可逆热力学理论及蛋白质动态热力学结构(英)

在机械力学及热力学基础上阐述蛋白质的各种物理性质是从物理学角度理解生物学的基础性工作.详细讨论了蛋白质折迭的不可逆热力学理论,蛋白质动态热力学结构理论.理论推断蛋白质动态热力学变化是一切生物学状态变化的基本热力学状态单位并作为分子生物学变化的分子开关.利用此理论解释了蛋白质的物理学性质及麻醉药的生物物理学机制.     

Single-Molecule Force Spectroscopy of Protein Folding

The use of force probes to induce unfolding and refolding of single molecules through the application of mechanical tension, known as single-molecule force spectroscopy (SMFS), has proven to be a powerful tool for studying the dynamics of protein folding. Here we provide an overview of what has been learned about protein folding using SMFS, from small, single-domain proteins to large, multi-domain proteins. We highlight the ability of SMFS to measure the energy landscapes underlying folding, to map complex pathways for native and non-native folding, to probe the mechanisms of chaperones that assist with native folding, to elucidate the effects of the ribosome on co-translational folding, and to monitor the folding of membrane proteins.     

Back to Units of Protein Folding

Abstract

In response to the criticism by A. Finkelstein (J. Biomol. Struct. Dyn. 20, 311–314, 2002) of our Communication (J. Biomol. Struct. Dyn. 20, 5–6, 2002) several issues are dealt with. Importance of the notion of elementary folding unit, its size and structure, and the necessity of further characterization of the units for the elucidation of the protein folding in vivo are discussed. The criticism (J. Biomol. Struct. Dyn. 20, 311–314, 2002) on the hierarchical protein folding is also briefly addressed.     

Evolutionary Aspects of Protein Structure and Folding

Four basic stages of evolution of protein structure are described, basing on recent work of the authors aimed specifically to reconstruct the earliest events in the protein evolution. According to this reconstruction, the initial stage of short peptides comprising, probably, only a few amino acid residues had been followed by formation of closed loops of 25–30 residues, which corresponds to the polymer-statistically optimal ring closure size for mixed polypeptide chains. The next stage involved fusion of relatively small linear genes and formation of protein structures consisting of several closed loops of a nearly standard size, with 4–6 loops (100–200 amino acid residues) in a typical protein fold. The last, modern stage began with combinatorial fusion of the presumably circular 300–600 bp DNA units and, accordingly, formation of multidomain proteins.     

Specificity of mRNA Folding and Its Association with Evolutionarily Adaptive mRNA Secondary Structures

The secondary structure is a fundamental feature of both non-coding RNAs (ncRNAs) and messenger RNAs (mRNAs). However, our understanding of the secondary structures of mRNAs, especially those of the coding regions, remains elusive, likely due to translation and the lack of RNA-binding proteins that sustain the consensus structure like those binding to ncRNAs. Indeed, mRNAs have recently been found to adopt diverse alternative structures, but the overall functional significance remains untested. We hereby approach this problem by estimating the folding specificity, i.e., the probability that a fragment of an mRNA folds back to the same partner once refolded. We show that the folding specificity of mRNAs is lower than that of ncRNAs and exhibits moderate evolutionary conservation. Notably, we find that specific rather than alternative folding is likely evolutionarily adaptive since specific folding is frequently associated with functionally important genes or sites within a gene. Additional analysis in combination with ribosome density suggests the ability to modulate ribosome movement as one potential functional advantage provided by specific folding. Our findings reveal a novel facet of the RNA structurome with important functional and evolutionary implications and indicate a potential method for distinguishing the mRNA secondary structures maintained by natural selection from molecular noise.     

Folding/Unfolding Kinetics of Apomyoglobin

The equilibrium and kinetic folding/unfolding of apomyoglobin (ApoMb) were studied at pH 6.2, 11 °C by recording tryptophan fluorescence. The equilibrium unfolding of ApoMb in the presence of urea was shown to involve accumulation of an intermediate state, which had a higher fluorescence intensity as compared with the native and unfolded states. The folding proceeded through two kinetic phases, a rapid transition from the unfolded to the intermediate state and a slow transition from the intermediate to the native state. The accumulation of the kinetic intermediate state was observed in a wide range of urea concentrations. The intermediate was detected even in the region corresponding to the unfolding limb of the chevron plot. Urea concentration dependence was obtained for the observed folding/unfolding rate. The shape of the dependence was compared with that of two-state proteins characterized by a direct transition from the unfolded to the native state.     

一种在格点模型上模拟蛋白质折叠结构的优化算法

蛋白质折叠问题是生物信息学中一个经典的多项式复杂程度的非确定性(non-deterministic polynomial,NP)难度问题.势能曲面变平法(ELP)是一种启发式的全局优化算法.通过对ELP方法中的直方图函数提出一种新的更新机制,并将基于贪心策略的初始构象的产生,基于牵引移动的邻域搜索策略与ELP方法相结合,为面心立方体(FCC)格点模型的蛋白质折叠问题提出一种改进的势能曲面变平(ELP+)算法.采用文献中9条常用序列作为测试集.对于每条序列,ELP+算法均能找到与文献中的算法所得到的最低能量相等或更低的能量.实验结果表明,ELP+算法是求解FCC格点模型的蛋白质折叠问题的一种有效算法.