1、第五章第五章 整合分子生态学整合分子生态学 生命系统的复杂性 蛋白质分子的相互作用 蛋白质和核酸的相互作用 基因调控网络 代谢物组与基因型和表现型的关系 信息传递网络1.生命系统的复杂性生命系统的复杂性1.11.1生物体是个相互作用的系统生物体是个相互作用的系统 生命活动中的各种功能和行为不是由单一分子完成的，都是通过体内各种分子的相互作用实现的。NetworksBiomodulesDNARNABiological SystemRNADNAProteinsBiomodulesCellsNetworks PatientsDoctorsHealthcare SystemNursesHospital
2、sInsurance CompaniesGovernment1.2 1.2 生命系统复杂性的特征生命系统复杂性的特征“组分之间有着广泛的相互作用”，换句话说，生命复杂性的本质是由其组成元素之间的关系所决定，而非组成的物质本身。系统具有开放性，可以在过程中不断演化。生命不象简单的“自稳态”系统那样，通过负反馈的调节控制来稳定自身状态，从而适应外界的变化。生命是一种远离平衡态的开放系统，通过不断地形成新性质或新功能来适应外界的挑战或改变。1.3生命系统复杂性研究的主要技术平台 生物体是由大量结构和功能不同的元件组成的复杂系统，因此，要建立多层次的组学技术平台，研究和鉴别生物体内所有分子，研究其功能
3、和相互作用。在各种技术平台产生的大量数据的基础上，通过计算生物学用数学语言定量描述和预测生物学功能和生物体表型和行为。主要技术平台有：基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等 1.3.1 相互作用组学 在生命从低级到高级的进化过程中，有可能是蛋白质之间的相互作用在起主导作用，越是高级的生命，其相互作用越广泛。相互作用组学系统地研究各种分子相互作用，包括蛋白质蛋白质、蛋白质一核酸、蛋白质一代谢物的相互作用和这些作用形成的分子机器、途径和网络。相互作用组学研究可用于构建生物系统中的各种途径和网络，鉴别参与网络和途径的生物元件，形成系统生物学研究中的模块，进一步通过模块的相
4、互作用研究构建完整的生命活动线路图。1.3.2 表型组学 表型组学主要是细胞水平的研究，因为细胞作为生命活动的基本单元具有活生物体的主要性状，如信息传导、时空组织、繁殖、体内平衡和对环境变化的应答和适应等，而且可用细胞进行高通量全基因组水平的研究。表型组学是生命系统复杂研究的终端，通过基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学到表型组学完成了由基因组序列到基本生命活动的全过程。1.4 整合分子生态学生命系统复杂性研究的核心 系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）的整合 从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。研究思路和方法的整合 需要生命科学、信息科
5、学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与，真正实现这种整合还有很长的路要走 蛋白质通过分子之间的相互作用实现其特异的生物学功能。如蛋白质酶的催化作用需要酶与特异作用物之间的相互识别、结合成中间复合物；抗体参与的防御功能需要抗体与抗原之间的特异识别 与结合等。2.蛋白质分子的相互作用2.1 蛋白质相互作用网络蛋白质相互作用网络系统生物学关注的不是单个基因或蛋白，而是它们的相互关系 蛋白质的结合位点蛋白质的结合位点 一个蛋白质分子与其配体之间的结合需要在两个分子的特定部位之间形成很多弱化学键，两分子间相互作用的部位称为结合位点。仅仅属于多肽链的一小部分，其余的氨基酸残基为维持正确的空间位置所必需。
6、蛋白质之间相互作用的特异性蛋白质之间相互作用的特异性 由其结合位点决定。两分子的结合位点必需存在能够配对形成非共价键的基团，而且每对基团在空间上恰好能达到形成非共价键的最佳距离。信号传递过程中，正是通过蛋白质分子之间相互作信号传递过程中，正是通过蛋白质分子之间相互作用的特异性而保证信号传递的特异性用的特异性而保证信号传递的特异性。2.2 蛋白质相互作用位点及其特异性蛋白质相互作用位点及其特异性2.3 蛋白质分子相互作用的方式2.3.1 分子或亚基的聚合分子或亚基的聚合v不少蛋白质分子或亚基能够聚合成聚合体。由单体形成二聚体的主要结合力有疏水作用和氢键。v聚合体的形状：线性聚合体 环状聚合体 螺
7、旋状聚合体 环状聚合体2.3.2 分子杂交 对于某些具有四级结构的酶分子，在同工酶的不同纯聚体之间，或者在不同种属来源的同一种酶分子之间，可以发生亚基交叉聚合，产生有活性的杂交分子。2.3.3 分子识别 生物大分子之间，普遍存在着一种专一性结合现象。专一性结合要求在两种蛋白质分子的结合部位之间，其微区构象要能够相嵌互补，造成相当大的接触面积，或经过构象达到这一目的；两个结合部位各有相应的化学基团，相互之间能产生足够的结合力。2.3.4 分子自我装配 细胞器（如核糖体、细菌鞭毛）、细胞器碎片（如线粒体碎片）以及病素（如烟草花叶病素），在拆散成蛋白质、核酸、糖以及其他组分之后，在特定的条件下，又能
8、够自动地装配成具有原来生物功能的细胞器、细胞器碎片以及病素。自我装配的实质，就是生物大分子之间的相互识别，相互作用。这是一种特殊的聚合现象。2.3.5多酶复合体 有不少的多酶体系,体系中的各种酶彼此有机地结合在一起，精巧地镶嵌成一定的结构，形成多酶复合体。反应链中的各种酶构成了结构化的复合体。这样，在连续有序的反应中，能够缩短每个产物与参加下一步反应的酶之间的距离，使反应能以最高的效率进行。3.蛋白质和核酸的整合作用蛋白质和核酸的整合作用是整合分子生态学的关键部分.DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction）3.1 DNA-3.1 DNA-蛋白质相互作用的化学键蛋白
9、质相互作用的化学键1、氢键:具有识别功能蛋白质的螺旋结构常与DNA的大沟相互作用。2、疏水键：暴露于大沟侧缘的T-CH3基团是疏水性的，可与疏水氨基酸残基侧链相互作用。3、离子键：1、序列特异识别的结合能：依赖两种类型的相互作用。一是多肽链与DNA大沟暴露的碱基之间通过氢键和范德华力建立的联系；二是多肽链中的碱性氨基酸与戊糖-磷酸骨架之间 的电荷联系。2、序列特异结合的结构基元：螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix HTH），锌指结构（zinc finger motif）3.2 DNA-蛋白质相互作用中的序列特异性蛋白质相互作用中的序列特异性螺旋-转角-螺旋 HTHHTH基元：基
10、元：最初发现于噬菌体的阻遏蛋白中，现发现在很多原核及真核DNA结合蛋白中存在。由两个较短的螺旋与其间含Gly残基的绞链组成。如大肠杆菌的CAP蛋白含一HTH结构域，HTH通过DNA双螺旋大沟识别、结合反向重复序列TGTG/CACA。锌指结构锌指结构首先发现于非洲爪蟾卵母细胞纯化的TFA，它是5SrRNA基因转录激活因子，结合50bp 5SrRNA编码基因 的内调控区。含有9个相同的锌指结构。核酸是生物遗传的物质基础核酸是生物遗传的物质基础,蛋白质是生命活动的体现者蛋白质是生命活动的体现者.DNA 子代子代DNA 信使信使RNA 蛋白质蛋白质 复制复制 转录转录 翻译翻译密码密码蛋白质生物合成依
11、赖核酸正常功能蛋白质生物合成依赖核酸正常功能,核酸生核酸生物合成及基因表达的调节需要蛋白质参与物合成及基因表达的调节需要蛋白质参与.3.3 蛋白质和核酸的整合作用蛋白质和核酸的整合作用核酸的消化核酸的消化 膳膳 食食 核核 蛋蛋 白白蛋白质蛋白质 蛋白代谢蛋白代谢 核酸核酸DNA、RNA胃胃 酸酸单核苷酸单核苷酸磷酸磷酸 核苷核苷嘧啶核苷嘧啶核苷 嘌呤核苷嘌呤核苷核糖或脱核糖或脱 氧核糖氧核糖嘧啶碱嘧啶碱核糖或脱核糖或脱 氧核糖氧核糖嘌呤碱嘌呤碱胰核酸酶胰核酸酶胰、肠核苷酸酶胰、肠核苷酸酶嘌呤核苷酶嘌呤核苷酶嘧啶核苷酶嘧啶核苷酶中心法则中心法则遗传信息传递的规律遗传信息传递的规律(复制、转录、
12、翻译复制、转录、翻译).).转录转录 翻译翻译 DNA RNA 蛋白质蛋白质 mRNA tRNA 反转录反转录 rRNA 转录、翻译转录、翻译 RNA（病毒病毒）蛋白质（病毒）蛋白质（病毒）复复制制复复制制4.基因调控网络 基因是如何通过相互影响包括从几个基因的调控通路直到涵盖全基因组的基因网络而产生一个生物体复杂的表型的。基因之间相互作用，它们的表达也互相影响，一个基因的表达，会随之促进或抑制另一个基因的表达 某些基因存在共表达的现象，基因之间的相互促进或抑制，构成一个复杂的调控关系网络。4.1 4.1 从基因到系统从基因到系统“Systems biology is an approach
13、to studying complex biological systems made possible through technological breakthroughs such as the human genome project.systems biology simultaneously studies the complex interaction of many levels of biological information to understand how they work together.”4.2 基基 因因 调调 控控 网网 络络v代谢物是细胞调控的终产物，而
14、它们的水平可看作是生物系统对基因变化或环境变化的最终应答。v生物表型在分子水平上表现为基因产物（生物表型在分子水平上表现为基因产物（mRNA，蛋白质和代谢物蛋白质和代谢物)的共同调控。的共同调控。v对表型的了解依赖于所观察到的有机体的特征，但最终取决于所观察到的代谢物水平，所以代谢物组学是精确联系基因功能和表型的重要纽带。5.5.代谢物组与基因型和表现型之间的关系代谢物组与基因型和表现型之间的关系代谢物组与基因型和表现型关系的研究方法代谢物组与基因型和表现型关系的研究方法 v正向遗传学，即根据表型变化正向遗传学，即根据表型变化(如表型正常与异常，如表型正常与异常，健康与疾病健康与疾病)测定代谢
15、物水平的变化，从而推断基测定代谢物水平的变化，从而推断基因型的变化。因型的变化。例如自发突变体、基因突变株或有用表型的双向增长被用来鉴定和特征化感兴趣基因；功能基因组学需要使用代谢物组数据来分析孤独基因(orphan genes)的功能，基因型的改变导致在许多方面出现不同的代谢物谱图，通过对代谢物进行多变量分析及对大量代谢物进行同时筛选，鉴定孤独基因的功能。v反求遗传学，分析一个克隆基因或离体蛋白质，其反求遗传学，分析一个克隆基因或离体蛋白质，其研究指向表型。研究指向表型。尽管在表型上难以观察到明显的变化，但基因已经发生修饰和改变，这样只有通过检测基因改变导致的代谢物水平的变化来评估。比如经基
16、因修饰的农作物的种植和生产对于其安全性的评估，集中于基因修饰加工的特征、新表达的化合物的特征和新作物成分的可能改变。由于基因的修由于基因的修饰加工导致代谢途径发生了变化。饰加工导致代谢途径发生了变化。代谢物组与基因型和表现型关系的研究方法代谢物组与基因型和表现型关系的研究方法 6.6.信息传递网络信息传递网络6.1信息传递的途径v跨膜信号转导v膜受体介导的信息传递 cAMP-蛋白激酶A(PKA)途径 Ca2+-依赖性蛋白激酶途径 cGMP-蛋白激酶途径 酪氨酸蛋白激酶途径 核因子B途径v胞内受体介导的信息传递6.1.1 跨膜信号转导跨膜信号转导(transmembrane tranductio
17、n)外界信号 细胞膜表面 一种或几种膜蛋白分子构象改变 胞内信号分子变化 引起相应的效应细胞跨膜信号转导的方式细胞跨膜信号转导的方式G蛋白耦联受体介导信号转导酶耦联受体介导的信号转导离子通道介导的信号转导6.1.2 膜受体的信号转导机制 第二信使学说Sutherland 第二信使第二信使:cAMP,cGMP,IP3,DAG,Ca2+激素（第一信使）激素（第一信使）激素激素-膜受体复合物膜受体复合物Gs或或Gi蛋白蛋白第二信使生成第二信使生成生物学效应生物学效应6.1.3 胞内受体介导的信息传递胞内受体介导的信息传递类固醇激素受体复合物作为转录因子与DNA特异基因的激素反应元件结合，调控转录甲状
18、腺素受体复合物与DNA上的甲状腺素反应元件结合，调节表达6.2 光敏色素的信号转导 6.2.1 光敏色素信号转导的一般过程v感受到光后，光敏色素发生构象变化，转移入核v 与一系列的转录因子相互作用激活下游的靶基因v 产生光形态建成表型，影响细胞或发育过程6.2.2 光敏色素在幼苗的光形态建成中的信号转导过程发生在核内的事件v 核内转录因子的直接激活：PIF3 光诱导光敏色素由Pr构象转变为Pfr构象后进入核内，与核内的PIF3结合，PIF3与含有G-box的启动子相互作用，诱导下游初级靶基因的转录v核内抑制因子的失活：COP1 在黑暗中，COP1在核内直接与HY5相互作用，使HY5易于泛素化，
19、进而靶向蛋白酶体调节的降解途径；在光下，COP1在核内的丰度降低，降低了HY5蛋白在核内的降解速率，使HY5聚集，作为正调节子调节光形态建成6.2.3 信号转导的过程核内信号转导事件模式图发生在细胞质中的事件vG蛋白、钙结合蛋白和离子流 生化和药理学研究显示：G蛋白、cGMP和Ca2+/钙调蛋白在控制光敏色素依赖性的基因表达中有一定的作用vPKS1和NDPK2 1、PKS1：将光敏色素锚定于细胞质，从而抑制了光敏色素的核转移 2、NDPK2（nucleoside diphosphate kinase 2）：phyA和phyB信号转导途径的正调节子 6.2.2 信号转导的过程6.2.3 光敏色素信号转导的总体模式图6.4 信息传递途径的交互联系信息传递途径的交互对话v 一条信息途径的成员，可参与激活或抑制另一条信息途径v 两种不同的信息途径可共同作用于同一效应蛋白或同一基因调控区而协同发挥作用v 一种信息分子可作用几条信息传递途径
