蛋白质工程和蛋白质折叠

蛋白质一级结构决定着高级结构。蛋白质肽链在适宜条件下会自动卷曲形成其相应的高级结构,即自动发生蛋白质折叠,其自动发生的原因和过程仍不十分清楚,但是随着蛋白质工程的日益兴起,这些与折叠有关的问题也愈显重要,就此已有文章进行过讨论[1,2]。反之,如把新兴的蛋白质工程手段(尤其是基因定点诱变技术)应用来研究这些折叠问题,必将推动蛋白质折叠的研究。本文将就蛋白质折叠与蛋白质工程相互影响的一些例子进行讨论。     

《RNA编辑：RNA蛋白质编码顺序的变动》

《ＲＮＡ编辑：ＲＮＡ蛋白质编码顺序的变动》《ＲＮＡ编辑：ＲＮＡ蛋白质编码顺序的变动》（ＲＮＡｅｄｉｔｉｎｇ：ｔｈｅａｌｔｅｒａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｔｅｉｎｃｏｄｉｎｑｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆＲＮＡ）由ＲｏｂＢｅｎｎｅ编著,１９ｃｄ年ＥｌｌｉｓＨｏｒｗｏｏ...     

用计算机模拟研究蛋白质链的折叠

人体所制造的每个蛋白质开始都是一条长链,该长链必须自身折叠成适当的形状才能行使蛋白质的特殊功能。为了洞悉蛋白质的折叠过程,有人曾经开发了数学模型试图捕获蛋白质单链如何迅速折叠成正确的构型。现在Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ的圣地亚国家实验室的计算机科学家ＳｏｒｉｎＩｓｔｒａｉｌ与麻省理工学院的生物学家及计算机科学家合作,用计算机模拟揭示了一条蛋白质链如何干扰另一条蛋白质链折叠的现象。这项工作首次提供了线索来设计能够保持必要而复杂折叠过程的实验室蛋白质序列,也可帮助了解某些蛋白质折叠错误的机制,这些蛋白质…     

《蛋白质折叠》

《蛋白质折叠》(Protein folding)由Lila M.Gierasch和Jonathan Kling编著,1990年美国科学促进协会出版,334页。蛋白质折叠可以从纷乱无绪的链,经自我指导转变成高度有序而且具有生物功能的结构,它日益受到生物技术工业的关注和DNA顺序碱基数据的解释。同时新实验技术和发现戏     

蛋白质折叠

蛋白质折叠冯佑民（中国科学院上海生物化学研究所,上海２０００３１）由２０种氨基酸组成的多种多样蛋白质,具有形形色色的功能,几乎参与了生命活动的所有方面并起着关键作用。那末,蛋白质是怎样生成的？其功能是怎样被赋予的呢？遗传信息从ＤＮＡ转录到ｍＲＮＡ再经...     

蛋白质折叠与装配研究新进展

蛋白质折叠与装配成天然状态的机制,过去根据离体复性实验观察认为是自组装,而近几年来的研究表明体内蛋白质的折叠 与装配并非如此,而是常常依赖于其它辅助因子和ＡＴＰ水解供能,为辅助性组装。这些辅助因子基本可概括为分子内伴侣、酶类和分子伴侣三大类。     

蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论

蛋白质折叠指没有任何固定结构形式的蛋白质多肽链经过复杂作用,转化成活性蛋白质结构的物理学过程。蛋白质折叠的理论研究是理论生物学的基本内容。它对蛋白质工程、蛋白质结构的预测、蛋白质结构与功能的关系、生物疾病的发生机理等有重大的科学指导意义。蛋白质折叠的传统理论是Anfinsen提出的。目前有两种不同的热力学理论:蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论。本文重点分析、讨论了蛋白质折叠的不可逆热力学(irreversible thermodynamics)理论和能级相图(energy landscape)理论的共同点与分歧。     

蛋白质折叠类型分类方法及分类数据库

蛋白质折叠规律研究是生命科学重大前沿课题,折叠分类是蛋白质折叠研究的基础。目前的蛋白质折叠类型分类基本上靠专家完成,不同的库分类并不相同,迫切需要一个建立在统一原理基础上的蛋白质折叠类型数据库。本文以ASTRAL-1.65数据库中序列同源性在25%以下、分辨率小于2.5的蛋白为基础,通过对蛋白质空间结构的观察及折叠类型特征的分析,提出以蛋白质折叠核心为中心、以蛋白质结构拓扑不变性为原则、以蛋白质折叠核心的规则结构片段组成、连接和空间排布为依据的蛋白质折叠类型分类方法,建立了低相似度蛋白质折叠分类数据库——LIFCA,包含259种蛋白质折叠类型。数据库的建立,将为进一步的蛋白质折叠建模及数据挖掘、蛋白质折叠识别、蛋白质折叠结构进化研究奠定基础。     

蛋白质折叠识别方法综述

蛋白质折叠识别算法是蛋白质三维结构预测的重要方法之一,该方法在生物科学的许多方面得到卓有成效的应用。在过去的十年中,我们见证了一系列基于不同计算方式的蛋白质折叠识别方法。在这些计算方法中,机器学习和序列谱-序列谱比对是两种在蛋白质折叠中应用较为广泛和有效的方法。除了计算方法的进展外,不断增大的蛋白质结构数据库也是蛋白质折叠识别的预测精度不断提高的一个重要因素。在这篇文章中,我们将简要地回顾蛋白质折叠中的先进算法。另外,我们也将讨论一些可能可以应用于改进蛋白质折叠算法的策略。     

蛋白质的折叠

重点介绍了蛋白质折叠的热力学控制学说和动力学控制学说,简单介绍了几种蛋白质折叠模型并分析了多肽链在体内进行快速折叠的原因。     

蛋白质构象病

蛋白质的空间结构又称为三维结构或构象（conformation）,特定的空间构象是蛋白质发挥其各种功能的结构基础。由于蛋白质担负着复杂的生化反应,因此在生物合成以后,蛋白质本身也经历着复杂的生理过程;蛋白质自翻译以后,需进行一系列的翻译后过程,包括跨膜转运、修饰加工、折叠复性、生化反应、生物降解等,这些过程都伴随着蛋白质的结构转换。随着对疯牛病的研究,人们发现：蛋白质分子的氨基酸序列虽不改变,但其空间结构或构象的改变也能引起疾病。同时,越来越多的研究表明,一些遗传性疾病是由于基因突变导致了蛋白质的错误折叠,这些突变并不直接影响蛋白质的功能结构域,但由于蛋白质的错误折叠,干扰了其正确运输,形成对细胞有毒性作用的聚积物。     

未折叠蛋白质应答

内质网是真核细胞中蛋白质合成、折叠与分泌的重要细胞器.细胞进化出一套完整的机制来监督和帮助内质网内蛋白质的折叠与修饰.而当错误折叠的蛋白质累积时,细胞通过一系列信号转导途径,对其进行应答,包括增强蛋白质折叠能力、停滞大多数蛋白质的翻译、加速蛋白质的降解等.如果内质网功能素乱持续,细胞将最终启动凋亡程序.这些反应被统称为未折叠蛋白质应答(unfolded protein response,UPR).UPR是多个信号转导通路的总称,包括IRE1-XBP1、PERK-ATF4以及ATF6等信号途径.除了应激条件外,UPR还被用于正常生理条件下的调节,例如胆固醇合成代谢的负反馈调控.     

分子伴侣及其在蛋白质折叠中的作用研究进展

蛋白质折叠是一个复杂的、动态的过程,蛋白质的折叠不是自发的,需要其他物质的帮助.了解分子伴侣在蛋白质折叠过程中的的作用,有助于进一步研究蛋白质折叠机制.本文介绍了分子伴侣及其分类,重点综述了各类分子伴侣在蛋白质折叠中的机制,并提出了研究分子伴侣在蛋白质折叠中的作用的重要意义.     

蛋白质的氧化重折叠

经过近几十年来广泛而深入的研究,蛋白质氧化重折叠的机制已得到相当详细的阐明。1在已研究过的蛋白质中,大多数蛋白质都是沿着多途径而非单一、特定的途径进行氧化重折叠,这与折叠能量景观学说是一致的。2正是氨基酸残基间的天然相互作用而不是非天然的相互作用控制蛋白质的折叠过程。这一结论与含非天然二硫键的折叠中间体在牛胰蛋白酶抑制剂（BPTI）折叠中所起的重要作用并非相互排斥,因为后者仅仅是进行链内二硫键重排的化学反应所必需,与控制肽链折叠无直接关系。3根据对BPTI的研究,二硫键曾被认为仅仅具有稳定蛋白质天然结构的作用,既不决定折叠途径也不决定其三维构象。这一观点不适用于其它蛋白质。对凝乳酶原的研究表明,天然二硫键的形成是恢复天然构象的前提。天然二硫键的形成与肽键的正确折叠相辅相成,更具有普遍意义。4在氧化重折叠的早期,二硫键的形成基本上是一个随机过程,随着肽链的折叠二硫键的形成越来越受折叠中间体构象的限制。提高重组蛋白质的复性产率是生物技术领域中的一个巨大的挑战。除了分子聚集外,在折叠过程中所形成的二硫键错配分子是导致低复性率的另一个主要原因。氧化重折叠机制的阐明为解决此问题提供了有益的启示。如上所述,在折叠的后期,二硫键的形成决定于折叠中间体的构象,类天然、有柔性的结构有利于天然二硫键形成和正确折叠,具有这类结构的分子为有效的折叠中间体,最终都能转变为天然产物;而无效折叠中间体往往具有稳定的结构,使巯基、二硫键内埋妨碍二硫键重排,并因能垒的障碍不利于进一步折叠。因此,降低无效折叠中间体的稳定性使之转变为有效折叠中间体是提高含二硫键蛋白质复性率的一条基本原则,实验证明,碱性pH、低温、降低蛋白质稳定性的试剂、蛋白质二硫键异构酶、改变蛋白质一级结构是实现这一原则的有效手段。此外,这里还就氧化重折叠的基础和应用研究的前景进行了讨论。     

一个识别蛋白质折叠模式的SVM分类器

蛋白质折叠模式识别是一种分析蛋白质结构的重要方法。以序列相似性较低的蛋白质为训练集,提取蛋白质序列信息频数及疏水性等信息作为折叠类型特征,从SCOP数据库中已分类蛋白质构建1 393种折叠模式的数据集,采用SVM预测蛋白质1 393种折叠模式。封闭测试准确率达99.612 2%,基于SCOP的开放测试准确率达79.632 9%。基于另一个权威测试集的开放测试折叠准确率达64.705 9%,SCOP类准确率达76.470 6%,可以有效地对蛋白质折叠模式进行预测,从而为蛋白质从头预测提供参考。     

未折叠蛋白质的普遍初始热力学亚稳态

探索和理解蛋白质折叠问题一直是分子生物学、结构生物学和生物物理学的终极挑战.未折叠的蛋白质应该存在一种普遍初始热力学亚稳态,否则无法解释蛋白质是如何在剧烈的热振动干扰下完成快速精确折叠的.本文通过分析水溶液环境和蛋白质折叠的相关性,揭示了一种由水分子屏蔽效应引起的未折叠蛋白质的普遍初始热力学亚稳态,该亚稳态的存在是水溶液环境中水分子的物理性质决定,并赋予未折叠蛋白质抵抗热扰动和避免错误折叠的能力.我们通过研究已发表的实验数据和建立分子模型,找到了该初始热力学亚稳态存在的相关证据,并推测了该亚稳态导致蛋白质精确折叠的相关物理学机制.     

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.     

蛋白质的错误折叠与疾病

蛋白质是生物体内一切功能的执行者.人体内的任何功能,从催化化学反应到抵御外来侵略都是蛋白质作用的结果.蛋白质折叠是生命活动的最基本过程,近年发现蛋白质的错误折叠可以导致一些疾病.蛋白质的错误折叠与疾病的关系已成为分子生物学新的研究前沿.介绍了细胞内保证蛋白质正常功能的“质量控制”系统,重点讨论了翻译后的质量控制、与蛋白质错误折叠有关的一些疾病和治疗这一类疾病的原则方法.     

模拟蛋白质折叠过程的新算法研究

蛋白质折叠过程模拟是当前蛋白质研究领域的一个难点问题。针对这一问题,提出了一个描述蛋白质折叠过程的算法-拟蛇算法,并且从分子振荡和分子动力学理论两个方面来证明该算法的核心函数是可行和正确的。经过实验总结出所有蛋白质空间结构都可以通过两种类型函数构造出来,提出了描述蛋白质折叠过程模型。与其它蛋白质折叠过程模拟算法的实验结果比较表明,拟蛇算法所构造的空间结构能量值最小、相似度最好。进而说明拟蛇算法和蛋白质折叠过程模型在描述蛋白质折叠过程方面具有明显优势。     

mRNA的二级结构对蛋白质折叠速率的影响

建立了一个包含核酸序列信息的蛋白质折叠数据库。以此为基础,对于每一个蛋白质,计算了其相应编码mRNA序列的茎结构含量、环结构含量、折叠自由能及mRNA的柔性等描述mRNA二级结构特征的基本参量。进一步分析了这些mRNA二级结构参量与相应蛋白质折叠速率的关系。结果表明,mRNA茎结构含量与蛋白质折叠速率呈显著负相关性,而环结构含量则与蛋白质折叠速率呈显著正相关性;同时,mRNA的柔性与相应蛋白质折叠速率呈极显著正相关性。进一步的分析表明,当把蛋白质分为不同二级结构类型和折叠类型后,mRNA的柔性对不同类型蛋白质的折叠速率均为重要的影响因素,而mRNA的茎结构含量和环结构含量主要影响二态蛋白质的折叠。结果证实,mRNA的二级结构对蛋白质的折叠有着重要作用。