在生物医药领域,如何准确、高效的调节生物过程具有重要的研究价值。近年来,光遗传学技术实现了在细胞水平上精准调控生物信号和蛋白功能,展示出广阔的应用前景。光遗传学整合了光学和遗传学的优点,通过在细胞水平靶向表达光感应蛋白和功能蛋白,并以特定波长荧光蛋白示踪,再利用特定波长的光信号诱导光感应蛋白结构和功能发生变化从而影响功能蛋白的作用,进而达到准确调节细胞信号的目的。光感应蛋白和荧光蛋白都需要吸收特定波长的光才能发挥作用,基于光学和生命科学的融合发展,本论文构建了一套全面的光遗传学系统生物信息数据平台,并针对一类荧光蛋白开展了再设计研究,为开发新型光遗传学系统奠定了数据基础。具体内容如下:第一部分:建立了首个开放收录光遗传学系统（Optogenetic System,OS）的生物信息数据平台——OPSIMO。光遗传学的概念在2005年由斯坦福大学Karl Deisseroth教授首次提出,经过近二十年的发展,目前已经有大量的光感应蛋白组成OSs用于科学研究和疾病诊治,但目前缺乏系统收录OSs的数据库平台,查找相关数据费时费力。因此收集、汇总、整理相关信息并搭建光遗传学系统的数据库对推动光遗传学的发展具有重要的意义;本部分工作对光遗传学系统及其应用进行了系统的文献调研,共收集了605个光遗传学系统,这些光遗传学系统由354个光感应工具（由光感应蛋白、辅因子和伴侣蛋白三者组成）和474个受调控蛋白组成。相关信息包括:光感应蛋白的名称、序列、结构;辅因子的结构式、分子量、化学式;伴侣蛋白的名称、序列;受调控蛋白的名称、序列、类型,光遗传学系统的表达信号（荧光蛋白示踪）、（去）活化的波长、（去）活化的时间、表达的细胞、表达方法、应用、可逆性等。这些信息均收录于OPSIMO数据库的相关页面。此外,基于不同种类光感应蛋白的特性,对具有代表性的光感应蛋白进行了进一步的分析。第一,对视蛋白进行了多序列比对,结果表明视蛋白在序列上有8个保守残基,从结构上看,这些保守氨基酸均位于辅因子结合口袋附近,对辅因子和蛋白的结合具有重大作用;第二,基于网络分析工具Cytoscape对隐花色素类的光感应蛋白进行了网络分析,结果表明光感应蛋白可一对多地用于调节功能蛋白信号;第三,对OS的应用的统计分析表明:虽然目前已有大量的光遗传学系统被作为工具开发,但是用于疾病治疗的光遗传学系统还非常有限,随着研究的深入,必将有更多的光遗传学系统用于不同疾病的诊治过程当中。第二部分:运用计算模拟方法设计新的绿色荧光蛋白Una G。荧光蛋白的出现使生物学家可以直接监测生物体内的动态生命过程。Una G是一种绿色荧光蛋白,发现自日本鳗鲡中,已有研究证实Una G可以特异性结合UC-BR并在光激发后发射出不依赖氧的绿色荧光,可用于检测血液中血清素代谢物浓度。但位于57位的天冬酰胺和2位的缬氨酸都会影响其荧光强度。该部分研究旨在通过再设计Una G发现多样性的绿色荧光蛋白。基于晶体结构,我们通过计算模拟的方法得到了全新的Una G序列,并采用分子对接综合评估了设计的荧光蛋白和UC-BR的结合能力,结果表明再设计时保留“Hot Spots”和“Warm Spots”总体上能得到结合亲和力较高的Una G。我们的方法为后续开发新的荧光蛋白提供了选择。综上,本文对光遗传学系统进行了系统的生物信息学分析,并针对绿色荧光蛋白Una G开展了探索研究。首先,通过文献调研综合数据库检索的方法收集了大量关于光遗传学系统的信息,并将其收录于OPSIMO数据中,再对相关数据进行了详细的分析,由于快速掌握光遗传学系统的相关信息对开发和改进光遗传学系统具有非常重要的作用,OPSIMO作为基础平台为开发新光遗传学系统奠定了坚实的数据基础;其次,利用计算模拟的方法对绿色荧光蛋白Una G进行了再设计,并评估其对UC-BR结合力的影响,为进一步开发多样性的UC-BR检测试剂提供了理论依据。