原始蛋白结构与功能的生物信息学研究

论文摘要

生命起源是现代自然科学要解决的三大核心问题之一。20世纪50年代初,Miller成功模拟了原始地球环境下的氨基酸产生,引领大家揭开了现代生命起源研究的新篇章。半个多世纪以来,科学家们在生命起源方面进行了大量研究,对氨基酸、密码子等的起源初步形成了统一的认识,但是对于蛋白质起源的研究却相对进展缓慢。这是因为研究原始蛋白的结构与功能是很困难的。但是近几年来,基因组学、结构基因组学等各种“组学（-omics）”的快速发展为蛋白质结构进化历史提供了新的研究途径。这些新兴学科为我们提供了大量关于蛋白质结构与功能的信息,由此可以初步推断原始蛋白的结构与功能特征。蛋白质的某些性质（或元素）,包括折叠类型（fold）、酶的催化位点、辅酶、辅因子以及部分短肽片段等,在进化过程中是非常保守的。它们可以作为“分子化石（molecular fossils）”,用来推测原始蛋白的结构与功能。但是,对于原始蛋白的结构与功能特征我们很难用实验去证实,因此,我们需要用不同的方法、标准以及不同的实验数据对其进行进一步的验证。本论文从新的蛋白数据集和新定义的分子化石——酶的催化位点出发,推测了原始蛋白的结构与功能特征。首先,通过选取酵母（yeast）蛋白质组中最古老的一组蛋白,综合运用现有的生物信息数据库SGD、SCOP、PDB等,对这一组蛋白进行结构统计分析,发现这些蛋白的折叠类型在domain和family空间中的分布服从“Power-law规律（幂率分布）”;其次,发现这一组蛋白中使用最普遍的折叠类型（folds）分别为:P-loop containing nucleoside triphosphate hydrolases（c.37）、TIM beta/alpha-barrel（c.1）、NAD（P）-binding Rossmann-fold domains（c.2）、Ferredoxin-like（d.58）、RibonucleaseH-like motif（c.55）和Flavodoxin-like（c.23）,这与此前Caetano-Anollés等人的研究结论非常一致;最后,发现最原始的蛋白功能都与一些基本的代谢有关,如嘌呤代谢、嘧啶代谢以及卟啉-叶绿素代谢等。此外,我们还发现,大部分原始蛋白都需要结合ATP等辅因子来发挥正常功能。通过利用MANET数据库和文献信息,通过比较酶的起源顺序,分析了主要代谢途径的进化方式,本论文还初步检验了Horowitz假说的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 生命起源研究概述
• 1.1 氨基酸的起源
• 1.2 RNA世界
• 1.3 密码子产生
• 1.4 蛋白质的起源
• 1.5 课题的提出
• 第二章 原始蛋白结构的生物信息学研究
• 2.1 研究对象——酵母蛋白组中最古老的一组蛋白
• 2.2 研究方法及路线
• 2.2.1 数据采集
• 2.2.2 研究路线
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 结论
• 第三章 原始蛋白功能的生物信息学研究
• 3.1 研究对象
• 3.2 相关的生物信息数据库
• 3.3 研究方法及路线
• 3.3.1 筛选鉴定原始酶蛋白分子
• 3.3.2 检索BRENDA数据库查找酶的KEGG pathway及Cofactor
• 3.4 结果与讨论
• 3.5 结论
• 第四章 代谢网络进化研究
• 4.1 Horowitz-Retrograde理论进化模型
• 4.2 研究基础——MANET数据库的构建
• 4.3 研究对象、目的及意义
• 4.4 研究方法及路线
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 结果
• 4.5.2 讨论
• 4.6 结论
• 参考文献
• 附表1 原始蛋白fold出现频率
• 附表2 代谢途径统计结果
• 附录 攻读硕士期间已发表论文目录
• 致谢