泛素是一种76个氨基酸构成的小分子蛋白,能够通过C端的羧基与赖氨酸残基上的氨基之间形成肽键而共价结合到特定的蛋白上,该过程被称作泛素化修饰。泛素化修饰调控了真核生物细胞内80%蛋白质的蛋白酶体降解,同时还调控炎症信号通路、DNA损伤修复等多种进程。泛素化修饰与阿尔兹海默综合症、帕金森综合症以及多种癌症的发生发展密切相关。研究泛素化对理解遗传信息的调控表达和多种疾病的发生发展有重要意义。在泛素化修饰过程中,泛素连接酶E3与底物之间的相互作用决定了底物蛋白的特异性,是理解泛素化系统精确调控的关键。人们发展了多种利用高通量蛋白检测技术(例如全局蛋白稳定性分析、蛋白微阵列、噬菌体展示文库和质谱技术)鉴定泛素连接酶-底物相互作用的方法。然而由于泛素连接酶底物较低的蛋白表达水平、泛素连接酶与底物较弱的相互作用,高通量实验方法往往效率较低,且成本较高。因此,尽管目前有近5700个底物蛋白的30000个泛素化修饰位点被鉴定,但是数据库中仅有861对泛素连接酶-底物相互作用关系,这意味着只有约15%的泛素化修饰蛋白有泛素连接酶信息。因此迫切需要发展一种有效的在蛋白质组水平预测泛素连接酶-底物相互作用的生物信息学方法。为解决这一挑战,本文构建了人类泛素连接酶-底物相互作用的预测模型。首先,为了构建预测模型所需的金标准数据集,本文发展了一套从文献中获取泛素连接酶-底物相互作用信息的策略。从PubMed和Web of Knowledge数据库获取可能包含泛素连接酶-底物相互作用信息的文献摘要,利用文本挖掘工具对文献摘要进行分析,经过人工判读进行校验,最终本文构建了一个包含1315对泛素连接酶底物相互作用的数据集,这是目前最大的泛素连接酶-底物相互作用数据集。利用构建的数据集,本文进一步构建了泛素连接酶-底物相互作用网络,该网络具有无尺度性质。依据来源文献的发表时间,本文将泛素连接酶-底物相互作用数据集划分为了金标准阳性数据集(2010年1月1日之前)和独立测试阳性数据集(2010年1月1日之后)。在金标准阴性数据集方面,由于难以找到一个实验验证的理想金标准阴性数据集,本文从与E3有相互作用的蛋白质中随机抽取了不被金标准阳性数据集和独立测试阳性数据集包含的泛素连接酶-蛋白对作为金标准阴性数据集。然后,本文构建了可用于泛素连接酶-底物预测的五大类生物学特征,包括:同源泛素连接酶-底物相互作用、泛素连接酶-底物富集的结构域对、泛素连接酶-底物富集的GO功能条目对、蛋白相互作用网络环和潜在的泛素连接酶识别底物序列motif。本文发现泛素连接酶可能通过特定的结构域和底物相结合,或者识别底物上特定的序列motif。泛素连接酶和底物在相互作用网络中更倾向于形成3元环和4元环。本文利用似然比评估发现这五大类特征都能对泛素连接酶-底物相互作用关系进行有效预测,并且该体系有助于发现潜在的泛素连接酶识别底物结构域和motif,例如本文预测的“TP53 DNA-binding domain”能与泛素连接酶WWP1相互作用(富集比:7.21),以及APC/C复合体泛素连接酶识别底物的“KEN” motif (motif得分:16.13),都得了文献的验证。进而,本文利用朴素贝叶斯分类器,整合这五大类特征构建了 ESI的预测模型。五倍交叉验证发现整合后的模型ROC曲线下面积高于任何单一特征的预测模型,其面积为0.827,说明该预测模型具有理想的预测效果,同时,独立测试数据集(所有ESI的发现时间均在2010年1月1日之后)测试下ROC曲线下面积为0. 733,说明模型具有发现新的ESI的能力。最后,本文利用构建的ESI预测模型对人类蛋白质组范围的ESI进行了预测并构建了在线的泛素连接酶-底物相互作用展示平台UbiBrowser(http://ubibrowser.ncpsb. org)。UbiBrowser 支持多种数据提交方式,利用网络视图、列表视图和序列视图,展示了预测的泛素连接酶-底物相互作用、文献来源的泛素连接酶-底物相互作用以及蛋白的泛素化修饰位点和可能的被识别结构域和motif信息。模型预测相关的支持证据信息也同时向用户进行展示。本文利用UbiBrowser对一些与疾病相关的泛素连接酶-底物相互作用进行了预测,这些预测结果得到了最新发表文献的支持。本文进而选取了潜在的泛素连接酶底物-相互作用对Smurfl-Smad3进行实验研究,结果表明在过表达体系下,Smurfl能够介导Smad3的泛素化修饰,这进一步说明UbiBrowser能够帮助实验人员发现新的泛素连接酶-底物相互作用。总之,为高效的揭示泛素连接酶-底物相互作用关系,本文完成了从泛素连接酶-底物相互作用的数据收集、预测模型构建以及在线浏览平台开发等一系列工作,最终为用户提供了首个覆盖人类所有蛋白的泛素连接酶-底物相互作用浏览器。本文工作,有助于研究人员发现新的泛素连接酶-底物相互作用,同时也有助于更加深入的理解泛素化修饰过程中泛素连接酶-底物间的选择机制。