生物信息学与21世纪的生物学

约35亿年以前,地球上开始出现生命.最先出现的是原核蓝藻类;以后,经过漫长的演化,出现动、植物,形成了多种多样、千姿百态的各种生物.虽然生物的种类多种多样,形状千差万别,但是现代分子生物学的研究表明,组成各种生物的最基本的分子却是完全相同的.简单说,核酸是遗传信息的携带者,蛋白质则是遗传信息转化为生物结构与功能的表达者.而决定遗传信息的核酸(DNA和RNA)是由含4种不同碱基,即腺嘌呤(Adenine,缩写为A)、鸟嘌呤(Guanine,G)、胞嘧啶(Cytosine,C)和胸腺嘧啶(Thymine,T;在RNA中则为尿嘧啶,Uracil,U)的四种核苷酸组成.当遗传信息翻译为蛋白质时,它们都遵循统一的遗传密码,即每三个核苷酸翻译成蛋白质中一个特定的氨基酸,通常称为三联体密码子.这些密码子编码20种氨基酸,而不同氨基酸组成的肽链就形成不同结构的蛋白质,产生多种多样的生物功能.核酸和蛋白质构成生命活动的物质基础,要了解生命现象,揭开生命的奥秘就必须深入了解核酸与蛋白质.     

新技术为研究蛋白质的快速变化提供了可能

科内尔大学的科学家们使用一种新颖的粒子加速器已成功地拍摄了蛋白质分子的快照,其快门速度相当于十亿分之一秒。目前科学家们希望能获取通常在百万分之一秒内蛋白质所发生的变化,这些变化在人体中起着决定性的作用。与此同时,另一部分科学家们将应用一种展示蛋白质的运动状况而不是其结构的方法,以辨别出蛋白质形状的详细情况. 科研人员已掌握了某些蛋白质的形状,但不知道它们是怎样运动和变化的。所存在的问题是科学家既要观察经适当冷冻后的蛋白质,以确定其结构,又要观察蛋白质的运动状况。运动状况清晰了形状就变得模糊不清了。以前没有办法同时确定蛋白质的结构和运动状况。粒子加速器的研制成功使得生化学家想同时获得清晰的蛋白质运动状况和形状的可能性向前迈进了一步。     

G蛋白偶联受体:七次跨膜结构的超级分子——2012年诺贝尔化学奖简介

G蛋白偶联受体是人类基因组中最大也是最重要的一类蛋白质,它们几乎参与了生物体中所有的生命活动。这一类受体的发现、功能研究以及结构解析为我们了解生理调控以及疾病的发生与治疗等带来新的曙光。在此之前,G蛋白偶联受体的相关研究已经被九次授予诺贝尔奖,而2012年,诺贝尔化学奖再次授予Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka,以表彰他们在此领域,尤其是肾上腺素受体上的相关研究。文中简介了G蛋白偶联受体的研究历程,其独特的七次跨膜结构与激活机制,并对此领域的未来发展做了展望。     

纳米二氧化硅增强液晶复合凝胶

柔软的微环境是赋予液晶分子对外场快速响应的基本要求之一,但纯液晶材料却无任何力学强度,限制了其进一步应用.本文将粒径为150 nm的二氧化硅引入由向列相液晶4-正戊基-4′-氰基联苯(5CB)和凝胶因子亚苄基山梨醇(DBS)组成的液晶物理凝胶中,通过纳米Si O2与DBS的协同效应来凝胶液晶,大幅度提高了所形成的复合凝胶网络的储能模量.采用差示扫描量热仪(DSC)、偏光显微镜(POM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、流变仪和液晶显示参数测试仪等手段研究了液晶复合凝胶的相转变行为、形貌结构、流变和电光特性.结果表明,固定DBS含量为2.0%(质量分数,下同)时,与未加纳米粒子的液晶凝胶相比,随着纳米Si O2含量的增加,复合凝胶网络由纤维织构转变为类似球晶织构,其储能模量G′呈先增后减的趋势,当Si O2含量为2.0%时达到最大值1.5×10~5Pa,其阈值电压和关闭时间最大增幅不超过1和2倍.当二氧化硅添加量仅为0.5%时,复合凝胶的G′即可达10~5 Pa,提高了1个数量级,其阈值电压和关闭时间也分别只增加了46%和63%.此研究为进一步拓展此类材料在自支撑电光器件等领域的应用提供了新思路.     

水合溶菌酶肽链伸展的DSC研究

蛋白质和溶剂的相互作用在决定天然蛋白质的构象和稳定性中起重要作用.世界上第一个蛋白质结构的发表就是基于球蛋白中的憎水氨基酸侧链是避开水溶剂的这一热力学依据.因此研究水对蛋白质热稳定性的影响对于了解天然蛋白质的构象及肽链的折叠、伸展会提供重要信息.     

人淋巴细胞表面与羊红细胞结合的蛋白质

80年代初作者等报道了人SRBC受体的分离提纯及性质研究.最近按Mendes法,即以SRBC吸附人淋巴细胞45℃保温上清(SHPL)中的结合蛋白质(Bp),免疫自体羊。按理,在人淋巴细胞表面与SRBc结合的蛋白质即为SRBC受体。但在分析了SRBC或其血影吸收SHPL后洗脱液中蛋白质的PAOE图谱,却出现多条区带。比较SHPL在SRBC吸收前后的凝胶过滤图谱,被吸附的蛋白质亦不限于在一个峰上。以此吸附蛋白质的SRBC免疫自体     

部分交联聚丙烯酰胺用于毛细管凝胶电泳蛋白质分离

以高分辨低黏度可替换的部分交联聚丙烯酰胺作为毛细管凝胶电泳的分离筛分介质, 实现了溶菌酶、细胞色素C、核糖核酸酶A和胰蛋白酶4种碱性蛋白的基线分离. 该聚合物材料具有的动态涂渍能力减少了毛细管壁对蛋白质的吸附, 显著改善了分离重现性. 混合使用两种部分交联聚合物, 分离分辨率和塔板数获得进一步提高. 初步实验研究结合分离机制的解析, 这种具有多种优异性能的部分交联聚丙烯酰胺聚合物材料, 介于交联聚合物凝胶和非交联线性凝胶之间的一个中间状态, 有望在毛细管电泳以及微流控芯片电泳等生物分离领域发挥重要作用.     

鼠脑阿片受体蛋白质的纯化

自从1973年确证脑组织中存在阿片受点,1975年发现内源性阿片肽类物质以来,阿片受点研究在神经科学的前沿占了十分重要的地位,许多学者致力于受体蛋白质的分离和纯化。Cho等(1986)曾报道从大鼠脑突触膜用0.5％ Tritonx-100溶脱,经6-琥珀酰吗啡(SM)-琼脂糖凝胶4B亲和层析,凝胶过滤,麦胚凝集素(WGA)-琼脂糖凝胶     

钩端螺旋体蛋白质相互作用网络预测与系统分析

问号钩端螺旋体是一种致病菌, 能够引起人畜共患病. 该细菌全基因组序列测序的完成, 为从全蛋白质组学的角度分析蛋白质相互作用网络提供了基础. 本研究通过整合4种计算方法(基因融合法、基因邻居法、系统发生谱法和操纵子法)来预测钩端螺旋体赖株蛋白质相互作用网络. 对运动和趋化系统、信号传导系统、脂多糖生物合成以及黏附、侵袭等有关蛋白质之间的相互作用进行了详细分析. 除此以外, 根据蛋白质的相互作用网络以及功能分类, 预测了203个未知蛋白质可能的功能. 这不仅为进一步研究钩端螺旋体赖株的致病机制提供了一个资料, 也为在基因组范围内应用生物信息学方法研究微生物提供了一个实例.     

再说动物给人类的有益启示

特殊的粘胶剂在材料科学家的眼里,大海中还有许多生物新材料。比如海参通常是柔软而富有弹性的,但是当它受到威胁时,它能够使自己的身体变硬,是什么因素使它发生这样的变化呢? 海参的体内有大量的凝胶,也就是蛋白质和脂肪。脂肪也属于凝胶的一种,它存在于各种动物体内,当然也包括我们人类。凝胶作为一种材料是极其常见的,但它具有其他材料不能提供的特性。比如一块凝胶在吸收了30倍于自身体积的水分后仍能保持硬挺,并且感觉干燥。现在科学家们正在研究让凝胶能够移动。比如可以设计制作一个用凝胶驱动的聚合物“运动员”,他可以踢球,而守…     

水稻WRKY89中的亮氨酸拉链结构增强蛋白与W盒元件的相互作用

WRKY蛋白是一类参与植物生物和非生物胁迫反应、代谢、发育等过程的转录调节因子. 水稻WRKY89与其他的WRKY成员同源性较低, 推测由263个氨基酸组成, 其N端带1个可能的亮氨酸拉链结构. 采用pET-29b载体原核表达了OsWRKY89和其3个N端缺失的衍生物, 并采用Ni柱的方法对表达的蛋白进行了纯化. 凝胶阻滞结果表明, OsWRKY89能与含顺式元件W盒的DNA序列特异结 合, 而缺失N端亮氨酸拉链的OsWRKY89与该元件的结合能力显著下降. 酵母双杂交结果表明, 亮氨酸拉链样结构参与OsWRKY89蛋白的同源相互作用. 进一步缺失OsWRKY89至部分WRKY结构域导致表达的蛋白完全丧失与上述元件的结合活性, 表明WRKY结构域是DNA结合中不可缺少的. 这些结果说明亮氨酸拉链结构在蛋白质与蛋白质互作和DNA与蛋白质中起重要作用.     

蛋白质相互作用的网络分析

建立了蛋白质复合物的残基网络, 其中蛋白质的残基被视为节点, 残基之间的接触视为连接. 复合物残基网络可以分成两种类型, 即疏水和亲水残基网络. 分析网络参量发现, 正确结合的复合物比错误结合的结构具有更高的界面度加和值和更低的网络特征路径长度. 这些性质反映出正确结合的复合物结构具有更好的几何或残基类型互补, 同时正确的结合模式对于保证天然蛋白质复合物的特征路径长度具有重要作用. 此外, 两个基于网络的打分项被建立, 它们能够很好地考虑复合物整体形状和残基类型互补特性. 将基于网络的打分项与其他打分项进行组合, 提出了一个新的多项打分函数HPNCscore, 它能够改进RosettaDock组合打分函数的区分能力超过12%. 这些研究将加深我们对蛋白质-蛋白质结合机制的了解.     

一种由其离子液体制备的新型纤维素水凝胶

纤维素能很好地溶解在AMIMCl这种离子液体中. 将溶解后的纤维素AMIMCl离子液体溶液与水交换后可得到一种透明的纤维素水凝胶(图1). 傅里叶变换红外光谱、元素分析等测试表明, 这种纤维素水凝胶中只含有再生纤维素和水, 而无其他成分. 利用紫外-可见光光度计测量了浓度为15和25 mg/mL的水凝胶在350~700 nm波长范围内的透光率, 两种浓度水凝胶的透光率差别不大, 2 mm厚的水凝胶的透光率在650 nm波长处可达到80%. 本文利用压缩强度来衡量凝胶的力学性能, 分别测试了10, 15, 20 和30 mg/mL纤维素水凝胶的压缩强度, 发现水凝胶的压缩强度随着凝胶的浓度增加而升高, 其中30 mg/mL 的水凝胶在形变为52.5%时其压缩强度可达到0.6 MPa. 本文还研究了凝胶的耐腐蚀性能和耐热性能, 发现纤维素水凝胶有着优异的耐腐蚀性和较好的耐热性. 纤维素水凝胶在腐蚀性溶液中浸泡3 d后, 其压缩强度与未处理的凝胶相比几乎无变化; 经沸水煮过的纤维素水凝胶形状未发生变化, 只是力学强度有一定的损失. 水凝胶经冷冻干燥去除水分后, 用扫描电子显微镜(SEM)观察了干态凝胶的表面和断面形貌. 水凝胶的表面和断面结构差别很大, 水凝胶的表面结构比内部结构致密得多, 凝胶表面由尺寸为20~60 nm的孔组成. 这种价格低廉、无毒、各项物理性能良好的透明纤维素水凝胶有望用于生物组织材料以及纳米级过滤材料.     

磷酸化修饰动态调控流感病毒复制

磷酸化是一种常见的蛋白质翻译后修饰形式,调控蛋白质的活性、稳定性、细胞内定位和蛋白质互作等功能.在真核细胞中,丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸是最常见的磷酸化位点.在流感病毒复制的生命周期中,病毒蛋白可被宿主激酶磷酸化修饰,并调节其核质穿梭、信号转导等功能,从而调控病毒的生长、复制和致病力.本文就近年来关于流感病毒内部核蛋白、基质蛋白1、非结构蛋白1的磷酸化修饰位点和其生物学功能进行综述,为深入了解流感病毒复制周期及抗病毒药物研发提供理论基础.     

微管骨架与异三聚体G蛋白协同参与ABA诱导的气孔运动

以拟南芥野生型、G蛋白α亚基缺失突变体(gpa1-3,gpa1-4)及带有GFP-α-tubulin-6标记的gpa1突变体等为材料,利用药理学实验、激光共聚焦扫描显微镜观察、非损伤微测等方法研究在ABA诱导气孔运动的信息传递通路中,异三聚体G蛋白与微管骨架之间的功能关系,深入了解气孔运动机理.结果表明:gpa1突变体叶片蒸腾失水率高于野生型.气孔开度实验中,突变体对ABA抑制气孔开放作用不敏感,但微管特异性解聚剂Oryzalin在一定程度上可恢复其对ABA的响应.Ca~(2+)螯合剂BAPTA-AM与Oryzalin共同处理时,无论野生型还是突变体,ABA的作用均会被进一步削弱.激光共聚焦扫描显微镜下观察,ABA处理后,野生型保卫细胞中辐射状规则排布的微管比例急剧下降,解聚态微管大幅度增加;gpa1突变体没有出现如此明显的动态转换,仍多停滞在聚合态.ABA与BAPTA-AM共同处理,野生型植株不同微管排布类型的保卫细胞所占比例随之发生显著改变,gpa1突变体无明显变化.非损伤微测实验发现,突变体中ABA抑制光下保卫细胞Ca~(2+)外流作用不明显,但再加以微管解聚剂Oryzalin处理,Ca~(2+)外流即明显下降.以上结果显示,在G蛋白介导的ABA抑制气孔开放信号通路中,下游有保卫细胞微管骨架和Ca~(2+)的共同参与.     

蛋白质折叠问题

直到目前,蛋白质的折叠仍还是相当神秘的问题。由于蛋白质的结构错综复杂,所以难以被理解和预测。线性多肽链是如何折叠成复杂的立体结构的呢?对此的答案,只不过是推测而矣。实验数据很少是有效的。未折叠的蛋白质和不完全的结构区呈现着随机的螺旋形。被分析的多数折叠转移都是相互纠缠在一起的;而且可用于确定折叠方式的部分折叠的中间物并不大量出现。可用于解释折叠方式的动力学被由临近脯氨酸残基肽链的较慢的顺反式异构化作用引起的蛋白质的异源性所搞乱。出现在活体内的折叠非常有效,实际是无法看见,并不可能对其进行研究。美国科学促进会(AAAS)在波士顿召开的为期3天的专题讨论会,搞清了所发生的许多变化。大量热心的与会者,对该领域进行了广泛的评价,从小肽的构形特点到体内折叠以及复杂病毒蛋白质的装配;从了解较清的去垢剂(一种改性的枯草杆菌蛋白酶)问题,到凝胶原中的缺失所造成的医学问题。     

分子凝胶的拓展研究:有序三维荧光传感薄膜和低密度多孔材料的创新制备

经过几十年的发展,分子凝胶研究取得了巨大的进步.然而,这些研究大多还停留在开发新的胶凝剂、发现新的凝胶体系和揭示新的胶凝机理.在未来的研究中,如何更好地发挥分子凝胶的优势,推进分子凝胶的现实应用已经成为该领域研究人员的共同期盼.考虑到:(1)有序或部分有序小分子胶凝剂三维网络结构的形成是分子凝胶赖以存在的基础,(2)内相多孔网状结构的存在有助于荧光敏感薄膜材料获得良好传感性能,(3)凝胶乳液的液-液两相特点有可能因凝胶作用的发生而转化为固-固(凝胶-凝胶)或固-液(凝胶-液)两相结构等因素,在过去的10年里,作者实验室将分子凝胶策略引入到新型荧光敏感薄膜材料、凝胶乳液和以凝胶乳液为模板的低密度多孔材料制备中,由此,获得了一系列性能优异的敏感薄膜材料和油水分离材料,拓展了分子凝胶研究.本文结合本课题组工作实际,阐述分子凝胶策略在功能表界面材料制备中的应用,提出分子凝胶拓展研究面临的主要挑战,展望分子凝胶拓展研究的前景和发展趋势.     

蛋白质分子α螺旋结构的发现

笔者具体介绍了蛋白质分子α螺旋结构的发现过程。鲍林是怎样在了解蛋白质组成和X射线研究的实验成果的基础上,从结构化学的角度认识到在蛋白质中氢键的性质和作用,揭示了肽基的刚性平面性质,从而发现了蛋白质分子的α螺旋结构的。     

电喷雾离子阱质谱法鉴定人肝癌细胞双向凝胶电泳胶内蛋白质

质谱法鉴定双向电泳胶内蛋白质是目前蛋白质组研究中最重要的分析方法．采用电喷雾离子阱质谱法对人肝癌细胞系ＢＥＬ－７４０４双向电泳后的胶内蛋白质进行分析鉴定．蛋白质经双向电泳分离，从凝胶上切割后，经过胰蛋白酶胶内酶解，通过液相色谱－电喷雾离子阱质谱分析肽谱和各肽段的氨基酸序外．根据肽谱和序列信息，经数据库检索，结合双向电泳分离获得的蛋白质分子量和等电点信息，对９种胶内蛋白质进行了鉴定．获得的氨基酸覆盖率为对２１％～７２．２％．其中两种蛋白质在ＳＷＩＳＳ－２ＤＰＡＧＥ的肝细胞蛋白质组数据库中尚未报道．在此基础上，进一步探讨了所鉴定的蛋白质与肝癌发生的关系．这一方法的应用，为与疾病相关的蛋白质组研究提供了有效和快速的分析鉴定方法．     

蛋白质组研究:无尽的挑战

自从人类基因组计划启动以来,公共媒体不断向大众勾画着一幅幅美丽的图景,使人们认为,一旦科学家把各种生物基因组的全部碱基排列顺序测定清楚,生命的遗传奥秘就会显露无余.但是,真实的图景远不像普通人想象的那样简单.遗传信息并不直接参与生命活动,而是通过控制蛋白质的形成间接地指导有机体的新陈代谢.也就是说,一个基因所含的遗传信息,通过一系列复杂的反应,最终导致了相应的蛋白质形成,蛋白质再参与到生命的各种活动中去.所以,要想真正揭开遗传的奥秘,仅仅了解基因组的碱基排列顺序是很不够的,还必须认识基因的产物--蛋白质.