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1、生物信息軟件綜合實踐第七章蛋白質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析 Membrane protein ICDAVTGSRVYPANEVTLLDSRSVQGELGWIASPLEGGWEEVSIMDEKNTPIRTYQVCNVMEASQNNWLRTDWITREGAQRVYI EIKFTLRDCNSLPGVMGTCKETFNLYYYESDNDKERFIRESQFGKTDTIA ADESFTQVDIGDRIMKLNTEIRDVGPLSKKGFYLAFQDVGACIALVSVR VFYKKCPLTVRNLAQFPDTITGADTSSLVEVRGSCVNNSEEKDVPKMYC GADGEWLVPIGNCLCNAGHEEQN

2、GECQACKIGYYKALSTDASCAKCPP HSYSVWEGATSCTCDRGFFRADNDAASMPCTRPPSAPLNLISNVNETSV NLEWSSPQNTGGRQDISYNVVCKKCGAGDPSKCRPCGSGVHYTPQQNG LKTTRVSITDLLAHTNYTFEIWAVNGVSKYNPSPDQSVSVTVTTNQAAPS SIALVQAKEVTRYSVALAWLEPDRPNGVILEYEVKYYEKDQNERSYRIV RTAARNTDIKGLNPLTSYVFHVRARTAAGYGDFSEPLEVTTNTVPSRIIGDGANSTVLLVSKAKQEADEEKHLN

3、QGVRTYVDPFTYEDPNQAVREFAKEIDASCIKIEKVIGVGEFGEVCSGRL KVPGKREICVAIKTLKAGYTDKQRRDFLSEASIMGQFDHPNIIHLEGVVT KCKPVMIITEYMENGSLDAFLRKNDGRFTVIQLVGMLRGIGSGMKYLSD MSYVHRDLAARNILVNSNLVCKVSDFGMSRVLEDDPEAAYTTRGGKIPI RWTAPEAIAYRKFTSASDVWSYGIVMWEVMSYGERPYWDMSNQDVIK AIEEGYRLPPPMDCPIALHQLMLDCWQKERSDRPKFGQIVNMLDKLIRN

4、PNSLKRTGSESSRPNTALLDPSSPEFSAVVSVGDWLQAIKMDRYKDNFT AAGYTTLEAVVHMSQDDLARIGITAITHQNKILSSVQAMRTQMQQMHG RMVPVSVSGSVVLVVILIAAFVISRRRSKYMAGIFYFILFSFLFGMolecular weight: 109801.8Theoretical pI: 6.12蛋白質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析u 序列相似的蛋白質(zhì)具有相似的三維結(jié)構(gòu)u 不同蛋白質(zhì)中相同的結(jié)構(gòu)域（domain）具有相似的功能u 分析蛋白質(zhì)的功能v 一級結(jié)構(gòu)：氨基酸的排列順序v 二級結(jié)構(gòu)：主要由氫鍵維系的結(jié)果（-helix、-s

5、heet）v 三級結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)進一步折疊形成的結(jié)構(gòu)域u 許多生物信息學(xué)網(wǎng)站具有分析蛋白質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的軟件蛋白質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析ExPASy (Expert Protein Analysis System) Nucleic Acids Research 2003, 31:3784-8u Swiss Institute of Bioinformatics (SIB) 的分析工具u 蛋白質(zhì)序列分析u 蛋白質(zhì)性質(zhì)分析u 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析2D PAGE 分析u蛋白質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析CBS (Center for Biological Sequence Analysis

6、)http:/www.cbs.dtu.dk/services/uuuuuTechnical University of DenmarkProtein sorting(1993)Post-translational modifications of proteinsImmunological featuresProtein function and structure（一） 分析蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)u 一級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)的氨基酸序列u 分析內(nèi)容v 蛋白質(zhì)的氨基酸組成v 等電點（pI）v 分子量（molecular weight, Mw）v 疏水性（hydrophobicity）v 其它1. 分析蛋白質(zhì)

7、的pI、Mw、氨基酸組成打開/tools/在“Primary structure analysis”欄目選擇“ProtParam”分析軟件在ProtParam主頁(/protparam/)粘貼序列進行分析蛋白質(zhì)的pI、Mw、氨基酸組成等2. 分析蛋白質(zhì)的疏水性打開/tools/在“Primary structure analysis”欄目選擇“ProtScale”分析軟件在ProtScale主頁（/protscale/） 粘貼序列、選擇分析方法蛋白質(zhì)的

8、親水和疏水性分析結(jié)果，有文字和圖形兩種顯示方式3. 分析蛋白質(zhì)的保守結(jié)構(gòu)域在文本框“Scan a sequence against PROSITE patterns and profiles”粘貼序列使用缺省參數(shù)（ exclude patterns with a highprobability of occurrence）去掉選擇框“exclude patterns with a highprobability of occurrence” 分析結(jié)果 分析結(jié)果（信息更完整但是需要進一步判斷是否可靠）3. 分析蛋白質(zhì)的保守結(jié)構(gòu)域http:/pfam

9、./點擊“SEQUENCE SEARCH”，粘貼序列 分析結(jié)果其它預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域工具：NCBI Conserved Domains /Structure/cdd/wrpsb.cgi SMARThttp:/smart.embl-heidelberg.de/smart/set_mode.cgi?NORMAL=1InterPro （整合多個軟件，常用于基因組注釋）http:/www.ebi.ac.uk/interpro/注意各種工具的區(qū)別：Prosite: sites, patterns (motif based), profil

10、esSMART/NCBI CDD: profilesPattern舉例：IV-x-D-S-GAS-GASC-GASTProfile舉例：PSI-BLAST中的PSSM（二） 分析蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)u 二級結(jié)構(gòu)：主要是氫鍵維持的結(jié)構(gòu)v a螺旋（a-helix）v b折疊（b-sheet）v 轉(zhuǎn)角（turn） 環(huán)（loop）v 無規(guī)則卷（random coil）1. 預(yù)測方法的準確性基于多序列比對的預(yù)測方法的準確性的估計上限是80%，近10年來已到瓶頸2. 常用工具Jpred pbio.dundee.ac.uk/jpred4PSIPRED http:/bioinf.cs.u

11、cl.ac.uk/psipred/PredictProtein rmatik.tu- muenchen.de三大最常用的二級結(jié)構(gòu)預(yù)測工具的準確性：Jpred (v. 3.0) ： 81.5% PSIPRED (v. 3.2)：81.6%PredictProtein：76%Jpred： the neural network JNet algorithm可輸入單條序列或多序列比對結(jié)果（MSF、FASTA等格式，第一條序列為目標序列） 完整結(jié)果3. 其他方法Chou-Fasman method預(yù)測蛋白質(zhì)的a螺旋、b折疊及其它二級結(jié)構(gòu)在“Secondary struc

12、ture prediction”欄目選擇“SOPMA”分析軟件在SOPMA主頁（http:/npsa-pbil.ibcp.fr/cgi- bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html） 選擇分析結(jié)構(gòu)種類、粘貼序列 a螺旋、b折疊、轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷和其它二級 結(jié)構(gòu)（三） 分析蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)1. 根據(jù)已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測未知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（PDB）中檢索同源蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)BLAST 檢索2. 通過分子建模（molecular modeling）分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜適用于專業(yè)人員uuuPhyre2http:/www.sbg.bio.ic.a

13、c.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index直接輸入蛋白質(zhì)序列和E-mail，2小時后反饋結(jié)果，同時給出與之同源的蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)uSWISS-MODEL Workspace/workspace/提供Automated Mode、Alignment Mode、Project Mode等多種分子建模方式（四） 分析膜蛋白質(zhì)u 膜蛋白種類v 整合蛋白（跨膜）integral (transmembrane)v 錨定蛋白 membrane-anchoredv 外周蛋白 peripheral、膜整合蛋白；、膜錨定蛋白；、外周蛋

14、白膜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征u 膜整合蛋白的跨膜區(qū)一般形成a螺旋u 膜錨定蛋白的形成v 直接與脂雙分子層連接v 通過糖分子間接與脂結(jié)合如：糖基化磷脂酰肌醇（GPI）1. 預(yù)測膜整合蛋白的跨膜區(qū)打開 /tools/在“Topology prediction”欄目選擇“SOSUI”分析工具(http:/harrier.nagahama-i-bio.ac.jp/sosui/)在SOSUI主頁選擇分析“SOSUI”或者“SOSUI(Batch)” 分析結(jié)果（1）、（2）1. 預(yù)測膜整合蛋白的跨膜區(qū)-TOPCONS打開/結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫收錄的同源蛋白通過

15、HMM整合五種膜蛋白預(yù)測方法，能準確區(qū)分信號肽u 其它分析軟件v DAS：分析原核生物蛋白質(zhì)的跨膜結(jié)構(gòu)(http:/www.sbc.su.se/miklos/DAS/maindas.html）v TMpred：分析蛋白質(zhì)的跨膜結(jié)構(gòu)和在膜上的方向(/software/TMPRED_form.html）v HMMTOP: 分析蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)和方向(http:/www.enzim.hu/hmmtop/html/submit.html)v TopPred: 分析細胞膜蛋白拓撲結(jié)構(gòu)(http:/mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal

16、.py?#forms:toppred)v TMHMM: 分析蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)(http:/www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)2. 分析膜錨定蛋白的GPI位點注意：GPI修飾發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，所以只有當?shù)鞍缀盘栯牟趴赡鼙籊PI修飾2. 分析膜錨定蛋白的GPI位點打開/tools/，在“Post-translational modification”欄目選擇“big-PI Predictor ”分析軟件在big-PI predictor主頁遞交序列，得到分析結(jié)果vFor Animal Proteinshttp:/mendel.imp.ac.a

17、t/gpi/gpi_server.htmlFor Plant Proteinshttp:/mendel.imp.ac.at/gpi/plant_server.htmlFor Fungal Proteinshttp:/mendel.imp.ac.at/gpi/fungi_server.htmlv注意：該軟件測信號肽v（五）分析蛋白質(zhì)的翻譯后修飾1. 分析信號肽及其剪切位點信號肽序列的特征v 2035 個氨基酸v 富含疏水氨基酸的片段v 至少有一個帶正電荷的氨基酸打開 /tools/在“Post-translational modification predicti

18、on”欄目選擇“SignalIP”分析軟件在SignalIP網(wǎng)頁（http:/www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）選擇物種 參照和分析方法，粘貼序列 分析結(jié)果分析信號肽及其剪切位點的其他網(wǎng)站：Signal-3L: A 3-layer approach for predicting signal peptides/bioinf/Signal-3L/分析信號肽及其剪切位點的其他網(wǎng)站：PrediSi: PREDIction of SIgnal peptideshttp:/www.predisi.de/分析信號肽及其剪

19、切位點的其他網(wǎng)站：Phobius: A combined transmembrane topology and signal peptide predictorhttp:/phobius.sbc.su.se/分析信號肽及其剪切位點的其他網(wǎng)站：PEPLip: Predictor of Signal Peptide and Lipoprotein Cleavage Sites in Proteinshttp:/gpcr.biocomp.unibo.it/cgi/predictors/spep/pred_spepcgi.cgiOrganism = eukaryot SIGNAL PEPTIDE -

20、PREDICTEDCUTTING SITE - position 29posaaOSoutSMeanOSOCoutC1M0.82580.82060.82580.17110.10212K0.77870.82110.80220.17110.0932 29A0.48200.47530.79250.17110.196230Q0.74080.43210.79070.98800.490831F0.20990.38730.77200.17110.1971 65L0.00160.00160.38270.17110.0011- SIGNAL PEPTIDE PRESENT- Protein typeSIGNAL

21、-PEPTIDE- position score32- cutting sitescore 0.49084934233059signal peptide length 29Signal peptideMKMASSLAFLLLNFHVSLFLVQLLTPCSA2. 分析糖鏈連接點u 糖鏈連接方式v O連接：絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸的羥基v N連接：天門冬酰氨的酰氨基主要發(fā)生在膜外周蛋白及膜整合蛋白胞外側(cè)（研究較 多），但有些胞質(zhì)蛋白也有修飾（研究較少）u 分析方法（1）：糖蛋白預(yù)測打開 http:/www.imtech.res.in/raghava/glycoep/submit.html在“Ty

22、pe/paste protein sequence in FASTA format”框中粘貼要預(yù)測的fasta格式的序列，選擇分析類型獲得分析結(jié)果u 分析方法（2）：分析O連接糖蛋白打開 /tools/在“Post-translational modification prediction”欄目選擇“NetOGlyc” 軟件分析O連接糖鏈的連接位點（ http:/www.cbs.dtu.dk/services/NetOGlyc）在NetOGlyc網(wǎng)頁粘貼序列，獲得分析結(jié)果其他預(yù)測工具：http:/comp.chem.nottingham.ac.uk/cgi-bi

23、n/glyco/bin/getparams.cgi /zzd_lab/CKSAAP_OGlySite/index.htmlu 分析方法（3）：分析N連接糖蛋白打開 /tools/在“Post-translational modification prediction”欄目選擇“NetNGlyc” 軟件分析N連接糖鏈的連接位點（ http:/www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc）在NetNGlyc網(wǎng)頁粘貼序列，獲得分析結(jié)果其他預(yù)測工具：http:/www.hiv.lanl.g

24、ov/content/sequence/GLYCOSITE/glycosite.html（六）分析蛋白質(zhì)的亞細胞定位有助于了解： v蛋白質(zhì)功能v 蛋白質(zhì)互作Gene Ontology分析蛋白質(zhì)的亞細胞定位打開/tools/在“Topology prediction”欄目選擇“PSORT” 軟件分析蛋白質(zhì)在細胞中的定位(http:/psort.hgc.jp/)在PSORT網(wǎng)頁根據(jù)待分析蛋白質(zhì)來源物種差異選擇不同分析方法，如選擇WoLF PSORT分析結(jié)果選擇物種，粘貼序列如果WoLFPSORT打不開，可以選用：/pso

25、rt/wolf_psort.htmlPSORT細胞定位縮寫對照表Dual localizationProtein Subcellular Localization Prediction with WoLF PSORTYloc亞細胞定位預(yù)測打 開 http:/abi.inf.uni- tuebingen.de/Services/YLoc/webloc.cgi粘貼序列，選擇預(yù)測模型，物種和是否使用GO信息分析結(jié)果prediction model:基于深度學(xué)習(xí)的DeepLoc亞細胞定位預(yù)測打開http:/www.cbs.dtu.dk/services/DeepLoc-1.0/分析結(jié)果輸入蛋白質(zhì)序列適用范圍：真核生物其它預(yù)測蛋白質(zhì)亞細胞定位工具：Lokero/TargetLoc/SherLoc2/MultiLoc2/YLoc：http:/ab