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[硕士论文] 彭胜军
生物医学工程 华中科技大学 2012(学位年度)
摘要:钙是生命活动中最重要的基本元素之一,在真核生物细胞内以离子状态充当第二信使。钙离子通过与特定钙受体或者钙结合蛋白绑定实现其生物学功能,调控细胞信号传导和细胞生命周期(包括细胞分裂、分化和凋亡)等过程。基于钙结合蛋白的功能结构域组成可将之分为两类:一类具有EF-hand结构域,其典型代表是钙调蛋白(Calmodulin);另一类不具有EF-hand结构,即非EF-Hand钙结合蛋白。随着对钙结合蛋白研究的日趋深入,实验证据表明钙离子与蛋白质结合形式具有复杂性和不规则性。鉴定钙结合蛋白中钙离子与蛋白质的结合位点是了解生物系统中钙离子如何调控蛋白质结构和功能首要步骤。实验验证钙离子结合位点需要耗费大量的时间、精力和资金。利用生物信息学的方法开展预测,能够有效地去除潜在的假阳性结果,为进一步的实验研究提供有价值的参考信息。迄今为止,所有预测钙结合蛋白结合位点的生物信息学方法,都基于蛋白质的三级结构,从而具有较大的局限性。在本论文中,我们设计了一种基于位点特异性打分矩阵(PSSM)算法的方法,能够快速、准确的预测潜在的钙结合蛋白位点。通过阅读科学文献,搜集了实验验证的369个钙结合蛋白,包含了986个钙离子结合位点,对这些数据进行训练,并通过“除一法”(Leave-one-outvalidation)等方法评估其预测性能,发现本方法的灵敏度(Sensitivity)和特异性(Specificity)分别为69.67%和90.00%。本方法仅需提供蛋白质的一级序列即可预测蛋白质的钙离子结合位点。
  与此同时,对搜集到的实验验证过的钙结合蛋白数据做了GO统计分析,从钙结合蛋白的生物学过程(Biologicalprocess)、分子功能(Molecularfunction)以及亚细胞定位(Cellularcomponent)三个层面进行了生物统计学分析。我们的结果表明:(1)钙结合蛋白主要分布在细胞质(GO:0005829)、细胞膜(GO:0005886)和细胞外区域(如组织液)(GO:0005576)等区域;(2)钙结合蛋白参与的生理过程主要有肌肉的收缩(GO:0006936)、突触信号传递(GO:0007268)和信号转导(GO:0007165)等过程;(3)钙结合蛋白具有的分子功能有与钙离子的结合(GO:0005509)、与钙依赖的蛋白结合(GO:0048306)和与其他蛋白质绑定(GO:0005515)等。另外,我们从Uniprot数据库中下载了人、小鼠、果蝇、线虫、酵母和拟南芥六个具有代表性的模式生物的序列信息,并对这六个物种进行了大规模预测,得到了与钙结合的蛋白质数目分别为人76.4%、小鼠68.6%、果蝇47.8%、线虫23.2%、酵母14.7%、拟南芥53.5%。从中可以得到两个结论:(1)钙结合蛋白在这六个物种中普遍存在;(2)物种由低等到高等,钙结合蛋白的比例逐渐增加。
  综上所述,我们对钙离子结合蛋白及作用位点进行了系统性分析,为进一步的实验分析提供了潜在的数据资源。我们相信,计算预测与实验验证的有机结合可将钙结合蛋白的研究带入一个新的发展阶段。
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