论文部分内容阅读
蛋白质的热稳定性研究一直是生物科学领域的热点。基于蛋白质由氨基酸及其氨基酸-氨基酸相互作用组成的复杂系统，本文用氨基酸网络描述蛋白质结构，从系统的水平上更全面地阐述嗜热蛋白质的耐热机制，促进蛋白质在工业上的应用。研究内容主要包括：（1）以超氧化物歧化酶（Fe-SOD）三维空间信息为基础，构建六种不同类型的氨基酸网络。通过分析复杂网络参数，如度、特征路径长度等，发现热稳定性高的Fe-SOD氨基酸网络的平均度、平均连接强度以及同配系数均高于常温的Fe-SOD氨基酸网络，而嗜热Fe-SOD氨基酸网络的特征路径长度小于常温的Fe-SOD氨基酸网络。（2）通过分析Fe-SOD氨基酸网络的度分布、富人俱乐部属性，发现氨基酸网络中存在度很高的节点，即Hub节点。在嗜热Fe-SOD氨基酸网络中谷氨酰胺、甘氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸出现Hub节点的频率比常温的Fe-SOD氨基酸网络中要高，这有利于嗜热Fe-SOD内部形成更大的疏水核心和致密结构。此外，Hubs的数量、Hubs在3/10-helix，alpha helix和turn结构中的数量以及二级结构内部Hub的比例与Fe-SOD的热稳定性成正相关性。并且突变Fe-SOD表面的Hub增加了Fe-SOD内部的氢键作用，这有利于提高Fe-SOD的热稳定性。（3）通过使用复杂网络的模块化方法，如Girvan-Newman，特征向量方法等对Fe-SOD氨基酸网络进行模块化分析，发现Fe-SOD氨基酸网络具有明显的社团结构并且大多数二级结构完全在同一个社团结构内部。此外，嗜热Fe-SOD氨基酸网络比常温的Fe-SOD具有更加明显的社团结构，嗜热Fe-SOD氨基酸网络中的社团和二级结构的对应关系也比常温的氨基酸网络明显。（4）本文通过GRAAL和MI-GRAAL算法对氨基酸网络进行全局比对，寻找常温和嗜热Fe-SOD氨基酸网路结构上的差异。实验发现在氨基酸网络中节点个体的相似性比较小，但是局部区域的结构能够呈现出较高的相似性。相似性高的局部区域的子结构可能与Fe-SOD的某些生物体功能相关。而常温Fe-SODs氨基酸网络之间的结构相似度明显高于嗜热Fe-SODs氨基酸网络之间的结构相似度。（5）通过分析Fe-SOD氨基酸网络的鲁棒性，发现氨基酸网络中的关键残基主要包括进化保守残基、疏水性残基、规则二级结构内部残基以及Fe-SOD活性位点残基。与热稳定性低的Fe-SOD氨基酸网络相比，热稳定性高的Fe-SOD氨基酸网络中的关键残基更均匀地分布在Fe-SOD内部。关键残基在Fe-SOD结构中的均匀分布，有利于提高嗜热Fe-SOD整体结构的鲁棒性。通过进行上述研究发现，从氨基酸网络的角度分析序列-结构-功能关系是一种非常有前景的方法，而且该方法还可适用于普遍蛋白质结构-功能的研究。