《科学》 2021年度十大科学突破

AI预测蛋白质三维结构 1972年,被授予诺贝尔奖的美国生物化学家克里斯蒂安?安芬森(Christian Anfinsen)在发表获奖感言时提出:有一天,我们可以仅仅根据氨基酸的序列来预测任意蛋白质的三维结构.要知道光人体内的蛋白质就有数十万种——结构预测若成真,将被广泛应用,并为基础生物学带来新见解,更有望揭示新药物...     

一种改进的研究蛋白质-蛋白质相互作用的平均势方法

在原子水平上发展了一种距离相关的用于研究蛋白质-蛋白质相互作用的平均势(potential of mean force, 简称PMF)方法. 与传统理论模型相比, 我们的模型考虑了蛋白质系统的复杂环境因素. 这种改进使得该模型能够给出物理上更合理和准确的势函数形式. 得到这样的势函数是正确描述蛋白质结构及相互作用的前提条件. 而且借助于改进后的方法, 还可以对蛋白质中残基相互作用的空间拓扑规律进行研究. 期望这种改进将促进平均势方法在蛋白质科学其他领域, 如蛋白质折叠识别, 结构预测及热稳定性预测中的应用和发展.     

尿胰蛋白酶抑制剂的空间结构预测

尿中的胰蛋白酶抑制剂(urinary trypsin inhibitor,简称UTI)是丝氨酸蛋白酶抑制剂的一种,存在于人类的尿液中,可抑制胰蛋白酶、弹性蛋白酶等多种蛋白酶的活性,是治疗急性胰腺炎的特效药。迄今为止,UTI的三维结构仍属未知。它是一种糖蛋白,含糖量高达50％,同时,它也是一种双结构域蛋白,它的结构信息对于我们研究蛋白质结构域间的相互作用也极有益。鉴于UTI重要的生物学功能以及特殊的结构意义,我们对UTI的空间结构进行了预测,所用的方法是已被众多结构生物学家认可的同源结构预测法,它的基本思想是:蛋白质的空间结构比一级序列更为保守。     

一种基于结构域的蛋白质功能分类预测新方法

从已知的蛋白质序列数据出发，预测蛋白质的功能是生物信息学研究的一项重要任务。常见而有效的一种方法是将蛋白质按照其序列特征归并到不同的功能类中去。据此我们应用最大似然估计（MLE）算法，发展了一种以蛋白质结构域组成特征为基础的方法，对蛋白质进行功能分类。我们对酵母（Saccharomyces cerevisiae）基因组用MLE方法和文献中记载的另一种方法进行了预测，并对两种方法进行了比较。结果表明MLE方法预测明显优于文献中记载的另一种方法。MLE方法的特异性达到75.45%，敏感性达到40.26%。这个结果也说明结构域是蛋白质的一个重要特性，它与蛋白质的功能紧密相关。     

蛋白质结构预测方法简述

蛋白质结构预测是后基因组时代基因组研究的主要任务之一,在生物信息学迅速发展的今天,它不仅需要有分子生物的专业知识,同时需要数学、物理学、计算机科学等学科的共同参与。本文简要介绍目前蛋白质结构预测的三类主要方法以及国际著名的蛋白质结构预测技术评比CASP。     

跨膜蛋白结构预测新方法

基因组数据中大约有20%～30%的基因产物被预测为膜蛋白, 膜蛋白是一类具有重要生物功能的蛋白质. 预测膜蛋白跨膜区的数量和位置是生物信息学中重要的研究课题. 提出了一种预测膜蛋白跨膜区的新方法—— 连续小波变换极大值谱(MSCWT). 该法对8种SARS-CoV膜蛋白的预测准确度与常用膜蛋白预测软件TMpred相当, 对MPtopo数据库中131种新的已知结构的螺旋束蛋白(共包含548个跨膜区)的预测显示, 其跨膜螺旋区预测准确率为91.6%, 膜蛋白序列的预测准确率为89.3%.     

模式识别方法研究蛋白质二级结构的规律

蛋白质二级结构系由其氨基酸顺序决定。作为粗略近似,可以认为多肽链片段的二级结构主要由该片段中的氨基酸残基决定。蛋白质二级结构实验工作量甚大,故若能根据氨基酸顺序预测二级结构,将有一定价值。为此曾提出某些统计方法,但结果不十分理想,故我们试探其他预测途径,试用模式识     

科学在取得突破的同时,也遭受"损害"

1957年,约翰?肯德鲁(John C. Kendrew)和马克斯?佩鲁茨(Max F. Perutz)通过X射线晶体学方法揭示了第一个蛋白质结构——肌红蛋白的三级结构.之后,他们又确定了血红蛋白结构.作为一名生物无机化学家,我对此深感欣喜——观察着过去只能想象的东西,必定是一种非凡的体验.     

神经网络在蛋白质二级结构预测中的应用

本简要介绍了蛋白质二级结构预测的研究意义，简要地叙述了BP网络的原理，并且对于近年来用神经网络方法在蛋白质二级结构预测中的主要工作进展做了较为详细的评述。最后，介绍了人工神经网络在生物信息学中的应用前景。     

科学信息

Nature,1988年11月3日球状星团——计算机规则系统已经用于模拟球状星团——一种由上千万星体组成的浓密的星团系统,——的动态演化。本期一文综述了这方面的进展并对下一步的工作作了展望。眼晶状体蛋白——鱿鱼眼球晶状体多肽与酶在DNA顺序方面的相似性支持了这种假设:即在眼球进化期间,原有的蛋白质补充为晶状体结构成份。     

基于复合金字塔模型的蛋白质二级结构预测系统

利用预测系统方法, 对蛋白质二级结构预测提出了一种逐步求精、多层递阶的预测系统模型, 即复合金字塔模型. 这种模型由4个独立协同的层面组成, 通过智能接口有机融合了SAC, AAC, KDD*等源于KDTICM理论的模型和方法. 模型整体贯穿物化属性与结构序列, 采用因果细胞自动机选择有效物化属性, 构造纯度较高的结构数据库作为训练数据源, 利用领域知识与背景知识进行优化. 本模型在数据集RS126及CB513分别取得83.06%与80.49%的Q₃准确度, 在对偏α/β型蛋白质的预测实验中, 取得了93.12%的Q₃准确度, 并存在着进一步提高准确度的优化空间.     

流感预测新时代

正从表面蛋白质进化分析到社交网络微博发布,科学家正在收集所有可以准确预测流感动态的数据,但对流感一剑封喉的预测方法尚未出现。在北半球的流感季到来之际,流感预报界的保留活动——流感病例实时评估和前瞻性流感预测评价——蓄势待发。美国疾病预防与控制中心(下文简称"疾控中心")每年都会将这一保留活动变成一种竞赛,预测团队倾尽全力以便最精准地预测出流感季到来的时间、高峰流感病毒颗粒的透射电子显微成像     

蛋白质工程的新进展

第二代遗传工程——蛋白质工程业已来临。美国加州基因工程公司最近取得的突破性进展是利用蛋白质工程改善了T4溶菌酶的稳定性。而Cetus公司则改进了两种蛋白质:抗癌剂人体β干扰素和间白细胞素(interleukin)-2。现已可预期生产耐热和耐酸的蛋白质(能经受大规模的工业加工)。基因工程公司的改善办法是插入附加的二硫化物键来加强T4溶菌酶的构架,这在折叠蛋白质以给出一种特殊的三维结构中是很关键的一步。 Cetus公司是利用“位置专门诱变物”,以三个半胱氨酸氨基酸之一换人体间白细胞素-2(IL-2)     

蛋白质功能基团三维模体及其应用

用一维序列模体和三维结构模体刻画与识别蛋白质功能区是蛋白质功能预测和分子设计中的重要课题。目前三维模体的提取与搜索均以残基为单位进行。特异性有限。鉴于残基的功能基团才是其发挥功能的关键要素,提出以功能基团为单位来表征三维模体（称为功能基团三维模体）,并发展了相应的搜索算法,用于阐释蛋白质功能的结构基础以及预测未知蛋白质的功能。以从胰蛋白酶（ＰＤＢ代码为１ｍｃｔ）中提取的“三联体和氧穴”功能基团三维     

与对称性相关的蛋白质序列-结构关系

蛋白质的氨基酸序列如何编码它的三级结构是一个极具挑战性的问题[1~3].虽然蛋白质的氨基酸序列看起来非常不规则,但它编码的三级结构表现出明显的规则性.例如,许多蛋白质具有对称的三级结构,但它们的氨基酸序列看起来象随机序列.因此人们对蛋白质序列关联性进行了大量的研究[4~8],希望确定蛋白质序列是否是随机的.然而,这些研究给出了相反的结果,一些研究表明蛋白质序列与随机序列不可分,而另外一些研究认为蛋白质序列不是随机的.本文将研究3种小的α类蛋白质结构域.这些是具有对称三级结构的最简单的蛋白质结构域.我们将说明这些结构域的…     

结构生物学：从细菌到人类蛋白质的研究

结构生物学本周迎来一件幸事。美国国立全科医学研究所(NIGMS)选择了7个研究机构作为结构基因组学的初步研究基地——应用机器人和高级计算机来计算出大量蛋白质的结构。此项总额为1．5亿美元的5年计划项目旨在加速蛋白质的原子水平的三维结构的确定，将使有关制药公司对他们想要开发的蛋白质有详细的了解，从而促进新药的发现。     

科学信息

Nature,1988年3月10日臭氧层的警告本期两篇文章根据卫星数据对全球臭氧的耗用及北极区由于臭氧耗用加剧及至造成类似于臭氧洞的情况作了分析。恐龙属窝巢中的胚胎一项罕见的化石发现——包括两个未孵化的含有胚胎骨架的恐龙蛋对比较胚胎学的研究提供了某些难得的机会,本期两文讨论了这方面的情况。癌基因和细胞控制本期两篇文章通过讨论两种截然不同的蛋白质的预测氨基酸顺序对有关细胞控制机制和癌基因的功能作了新的探索。沸石结构本期一文详细阐述了二十多年前就得到描述的β沸石的复杂结构及其活性催化剂及吸附材料。DNA修复 1988年1月在新墨西哥州举行的DNA修复的学术会议上,专家们认为,虽然DNA修复系统必不可少地存在着多样性,但其基本机理是相似的。此次会议的中心内容是讨论DNA修复中的同一性和差异性。     

破译蛋白质

生物学真正是21世纪科学。科学家在2001年宣布，在花费了10年和24亿英磅之后，一项国际性的努力已经在产生一幅人类基因组草图方面获得成功。现在正在制订有关一项更大的规模倡议的计划。已经创建了人类蛋白质组组织(HUPO)，以协调人类蛋白质组的破译——即充分认识人体每个蛋白质的结构和功能。蛋白质领域中的这个与人类基因组计划相当的计划对在分子水平上认识疾病和加快药物的发现速度是至关重要的。没有它，人类基因组计划产生的一切数据就没有什么实际用途。虽然基因可能提供了生命的蓝图，但是根据这些信息产生行为并推动人体发挥功…     

日新月异的RNA二级结构预测

对RNA结构与功能的研究是当今生物信息学一个非常重要的课题。对RNA自身功能的认识在当前已经得到了极大的拓展和深入。而研究它更可以作为研究蛋白质结构与功能以及DNA序列中基因信息的突破口．本系统介绍了从上世纪70年代以来发展至今的各类RNA二级结构预测算法。从对RNA结构预测方法的追溯和跟踪。对当今RNA研究的进展和形势作了一个总结。并预测了这一领域未来的研究发展趋势．     

化学家能否破解糖的编码?

正在我们体内,简单的糖(例如葡萄糖、甘露糖和岩藻糖)连接在一起,形成了复杂的多糖(或者说聚糖),这些多糖修饰着细胞的表面,形成了一层厚厚的"糖衣",但与基因组和蛋白质组不同,那些"糖衣"中的糖组目前对我们来说仍是待解之谜,部分原因是聚糖的化学结构太过复杂。我们的身体合成了数千种独特的聚糖,但是很少有分析方法可以有效地阐明其结构。与线性组装的DNA和蛋白质不同,聚糖高度支化,使其难以合成。当然,智慧的化学科学家正帮助我们更趋近于破解糖的编码。