生物信息学初探 - abc

生 物 信 息 学 初 探
农 科 院 生 物 信 息 一 班 caas09s1
报 告 人 : 荆 振 宇

课 题 研 究 思 路
来 源 于 文 献
血 红 蛋 白
结 构 分 析
血 红 蛋 白
特 性 分 析
人 血 红 蛋
白 的 起 源
已 被 试 验 证 实 的
结 果
斑 头 雁
实 例
血 红 蛋 白
功 能 预 测
的 验 证

第 一 篇 已 知 的 理 论 基 础
血 红 蛋 白 是 红 细 胞
的 主 要 成 分 , 它 由
珠 蛋 白 四 聚 体 结 合
四 个 含 铁 的 血 素 ,
在 成 体 细 胞 中 , 珠
蛋 白 四 聚 体 有 两 条
相 同 的 α 链 和 β 链
构 成 。

脊 椎 动 物 珠 蛋 白 演 化 模 式 如 下 :
从 上 图 可 以 看 出 , 脊 椎 动 物 所 有 珠 蛋 白 基 因 是 由 共 同 的 祖 先 基 因 进 化
而 来 的 ,α 链 珠 蛋 白 基 因 和 β 链 珠 蛋 白 基 因 的 分 开 发 生 的 很 晚 , 在 300~
400 百 万 年 前 。α 链 珠 蛋 白 基 因 包 括 ξ、α2、α1 和 和 两 条 假 基 因 , 而 β 链
珠 蛋 白 包 括 β、δ、ε 和 两 个 γ 何 一 条 假 基 因 。(Burmester T, 2002)

血 红 蛋 白 结 构
血 红 蛋 白 的 空 间 结 构 测 定 是 由
佩 鲁 茨 及 其 同 事 于 1963 年 完
成 的 , 在 他 的 《 真 该 早 些 惹 怒
你 》 一 书 中 , 创 造 性 地 提 出 了
“ 同 晶 置 换 法 ”, 即 在 所 要 分
析 的 蛋 白 质 晶 体 中 引 人 适 当 的
重 金 属 原 子 , 得 到 同 晶 置 换 晶
体 , 通 过 对 同 晶 置 换 晶 体 的 x
射 线 衍 射 结 构 分 析 , 成 功 揭 示
了 血 红 蛋 白 的 三 维 结 构 。
佩 鲁 茨 (Perutz,Max
Ferdinand) 英 国 化 学 家 ,
生 物 学 家 。

镰 刀 型 血 红 蛋 白
1956 年 , 英 格 拉 姆 (Ingram) 等 人 用 胰 蛋 白 酶 把
正 常 的 血 红 蛋 白 (HbA) 和 镰 形 细 胞 的 血 红 蛋 白
(HbS) 在 相 同 条 件 下 切 成 肽 段 , 通 过 对 比 二 者 的
滤 纸 电 泳 双 向 层 析 谱 , 发 现 有 一 个 肽 段 的 位 置 不
同 。
这 是 β 链 N 末 端 的 一 段 肽 链 。 也 就 是 说 ,HbS 和
HbA 的 α 链 是 完 全 相 同 的 , 所 不 同 的 只 是 " 链 上
从 N 末 端 开 始 的 第 6 位 的 氨 基 酸 残 基 , 在 正 常 的
HbA 分 子 中 是 谷 氨 酸 , 在 病 态 的 HbS 分 子 中 却
被 缬 氨 酸 所 代 替 。

第 二 篇 生 物 信 息 学 的 预 测 与 论 证
第 一 部 分 血 红 蛋 白 的 起 源
1
系 统 发 育 树 的 构 建
2
人 血 红 蛋 白 在 进 化 过 程 中 的 位 置
3
物 种 起 源 与 血 红 蛋 白 的 分 化

系 统 发 育 树 构 建 的 理 论 基 础
系 统 发 生 分 析 一 般 是
建 立 在 分 子 钟 基 础 上
的 。
分 子 钟 : 分 子 序 列 进 化
是 按 照 一 恒 定 速 率 进
行 的 , 所 以 积 累 突 变
的 数 量 和 进 化 时 间 成
一 定 比 例 , 基 于 这 个
假 说 , 发 生 树 上 的 树
枝 长 度 可 以 用 来 估 算
基 因 分 离 的 时 间 。

进 化 树 的 构 建
以 人 新 发 现 的 Neuroglobin 为 例 利 用 mega 软
件 对 Neuroglobin 是 否 属 人 类 血 红 蛋 白 家 族
经 分 析 。
判 定 利 用 生 物 信 息 学 预 测 生 物 进 化 关 系 是 否 与
通 过 传 统 的 进 化 理 论 和 实 验 室 所 得 数 据 一 致 。

步 骤
1
1、
ngb_human
蛋 白 序 列 在
swiss-prot
中 搜 索
2
2、 在 NCBI
中 Blast 搜 索
ngb_human
同 源 序 列
3
3、 用 mega
软 件 进 行 序 列
比 对 并 构 建 进
化 树

在 ExPASy 搜 索 NGB_HUMAN
保 存 蛋 白 质 序 列 为 .fasta 格 式

NCBI 中 Blast 结 果
利 用 Blastp 在 swissprot proteinseqence 的 人 类 蛋
白 数 据 中 搜 索 到 12 条 保 存 为 .fasta 格 式

在 alignment/align by clustalw 对 序 列 进 行 比 较

view seqence data
C-- 保 守 位 点
PI-- 信 息 位 点
V-- 可 变 位 点 区
S-- 单 残 基 差 异

选 用 Neighbor-Joining 法 建 树

所 得 结 果 与 文 献 中 数 据 的 对 比
Thorsten Burmester Cytoglobin: A Novel Globin Type Ubiquitously Expressed in
Vertebrate Tissues. Mol. Biol. Evol. 19(4):416–421. 2002

利 用 血 红 蛋 白 构 建 发 育 树 的 实 际 应 用
氨 基 酸 分 析 结 果 可 以 为 生 物
的 亲 缘 关 系 的 研 究 提 供 更 多
的 资 料 , 目 前 研 究 最 多 的 是
血 红 蛋 白 和 细 胞 色 素 C。
哺 乳 纲 - 食 肉 目 - 犬 型 亚 目 - 熊 科 - 熊 猫 亚 科 - 大 熊
猫
两 栖 纲 - 有 尾 目 - 蝾 螈 科 - 蝾 螈 属 - 蝾 螈
哺 乳 纲 - 食 肉 目 - 犬 科 - 犬 属 - 狗
哺 乳 纲 - 灵 长 目 - 人 科 - 人 属 - 智 人 种 - 人
哺 乳 纲 - 食 肉 目 - 鼬 科 - 水 獭 属 - 水 獭
哺 乳 纲 - 单 孔 目 - 鸭 嘴 兽 科 - 鸭 嘴 兽 属 - 鸭 嘴 兽
哺 乳 纲 - 食 肉 目 - 灵 猫 科 - 果 子 狸 属 - 果 子 狸
鸟 纲 - 新 鸟 亚 纲 - 鸵 形 目 - 鸵 形 科 - 鸵 鸟 属 - 鸵 鸟 种
哺 乳 纲 - 食 肉 目 - 熊 科 - 熊 亚 科 - 棕 熊 属 - 北 极 熊
鸟 纲 - 今 鸟 亚 纲 - 突 胸 总 目 - 隼 形 目 - 鹰 科 - 兀 鹫 亚
科 - 秃 鹫 属
软 骨 鱼 纲 - 板 鳃 亚 纲 - 下 孔 总 目 - 鳐 目
哺 乳 纲 - 有 袋 目 - 袋 鼠 科 - 大 袋 鼠 属 - 灰 大 袋 鼠
哺 乳 纲 - 食 肉 目 - 猫 科 - 豹 亚 科 - 豹 属 - 美 洲 虎

第 二 部 分 人 血 红 蛋 白 分 析
人 的 12 种 血 红 蛋 白 同 源 序 列 基 因 结 构 差
异 分 析
人 的 12 种 血 红 蛋 白 同 源 序 列 相 似 性 分 析
38 种 哺 乳 动 物 血 红 蛋 白 alpha 亚 基 相 似
性 分 析

人 的 12 种 血 红 蛋 白 同 源 序 列 基 因 结 构 差 异 分 析
Query Full Name ID Sequence length
P02008 Hemoglobin subunit zeta HBAZ_HUMAN 142
P69892 Hemoglobin subunit gamma-2 HBG2_HUMAN 147
P02042 Hemoglobin subunit delta HBD_HUMAN 147
P69891 Hemoglobin subunit gamma-1 HBG1_HUMAN 147
P68871 Hemoglobin subunit beta HBB_HUMAN 147
P69905 Hemoglobin subunit alpha HBA_HUMAN 142
P02100 Hemoglobin subunit epsilon HBE_HUMAN 147
P09105 Hemoglobin subunit theta-1 HBAT_HUMAN 142
Q6B0K9 Hemoglobin subunit mu HBM_HUMAN 141
P02144 Myoglobin MYG_HUMAN 154
Q8WWM9 Cytoglobin CYGB_HUMAN 190
Q9NPG2 Neuroglobin NGB_HUMAN 151
用 “HBA_HUMAN” 在
ExPASy 中 提 取 序 列 , 用 blastP
在 人 的 基 因 组 中 检 索 到 12 条 同
源 序 列
所 得 的 12 种 蛋 白 的 基 本 信 息

利 用 GSDS 软 件 分 析 基 因 结 构 差 异
用 搜 索 到 的 人 12 条 序 列 的 ID 在 ExPASy 中 检 索
用 ”Cross Reference” 查 找 对 应 蛋 白 序 列 的 全 长
CDS 和 完 整 基 因 核 酸 序 列
将 12 条 CDS 核 酸 序 列 链 接 成 一 个 FASTA 文 件 , 将 12
条 基 因 序 列 链 接 成 另 一 个 FASTA 文 件
运 行 GSDS

大 部 分 含 3 个 外 显 子 , 少 数 的 含 有 一 个 外 显 子
内 含 子 的 序 列 长 度 差 异 很 大
在 进 化 的 过 程 中 , 由 同 一 祖 先 进 化 过 来 的 基 因 内 含 子 外 显 子 产 生 了 一 定 的
变 化 , 这 有 可 能 是 物 种 进 化 的 一 种 方 式

人 的 12 种 血 红 蛋 白 同 源 序 列 相 似 性 分 析
用 HBA_human 蛋 白 质 序 列 进 行 PSI-BLAST,
找 出 人 类 基 因 组 中 全 部 同 源 序 列 , 结 果 显 示 共 有
12 条

用 MEME 预 测 12 条 序 列 中 的 保 守 motif
motif 1
motif 2
motif 3

12 条 序 列 的 motif 组 成 结 构 :
为 了 形 成 各 自 特 定 的 功 能 , 而 产 生 了 特 异 性 的 分 化 , 从
而 导 致 了 基 因 结 构 的 差 异

38 种 哺 乳 动 物 血 红 蛋 白 alpha 亚 基 相 似 性 分
析
在 SRS 中 提 取 38 种 哺 乳 动 物 的 血 红 蛋 白 alpha 亚 基 蛋 白 序
列

用 MEME 预 测 38 条 序 列 中 的 保 守 motif

第 三 部 分 人 血 红 蛋 白 alpha 亚 基 结 构 分 析
跨 膜 区 域
疏 水 性 与 亲 水 性
结 构 分 析
特 殊 结 构 和 特 征 序 列

氨 基 酸 残 基 疏 水 性 与 亲 水 性 分 析
首 先 用 pepstats, 统 计 各 种 氨 基 酸 残 基 的 含 量 , 结 果 如 下 :
Molecular weight = 15257.51
Residues = 142
Charge = 7.0
Average Residue Weight = 107.447
Isoelectric Point = 9.0879
A280 Molar Extinction Coefficient = 9530 A280
Extinction Coefficient 1mg/ml = 0.62
Improbability of expression in inclusion bodies = 0.724
Property Residue Number Mole%
Tiny (A+C+G+S+T) 49 34.507
Small (A+B+C+D+G+N+P+S+T+V) 81 57.042
Aliphatic (A+I+L+V) 52 36.620
Aromatic (F+H+W+Y) 21 14.789
Non-polar (A+C+F+G+I+L+M+P+V+W+Y) 81 57.042
Polar (D+E+H+K+N+Q+R+S+T+Z) 61 42.958
Charged (B+D+E+H+K+R+Z) 36 25.352
Basic (H+K+R) 24 16.901
Acidic (B+D+E+Z) 12 8.451

用 pepinfo, 以 图 形 方 式 显 示 不 同 的 氨 基 酸 残 基 含
量

用 SPDBV 分 析 , 在 color 中 选 择 accessibility
Color---by Accessibility
在 结 构 中 每 个 氨 基 酸 残 基 与
周 围 溶 剂 接 触 程 度 的 多 少 决
定 了 残 基 的 颜 色 。 与 溶 剂
接 触 最 少 的 是 蓝 色 , 完 全 露
在 分 子 表 面 的 是 红 色 , 接 触
介 于 2 者 之 间 的 , 用 蓝 色
和 红 色 中 间 的 颜 色 表 示 , 如
蓝 绿 色 和 洋 红 色 。

Color 中 选 择 type
对 结 构 模 型 染 色 的
依 据 是 残 基 的 化 学
类 型 : 带 正 电 的 用
蓝 色 表 示 ; 带 负 电
用 红 色
表 示 ; 不 带 电 的 用
黄 色 表 示 ; 无 极 性
的 用 灰 色 表 示 。

接 着 用 garnier, 预 测 蛋 白 质 序 列 中 的 二 级 结 构

也 可 以 用 hmoment, 以 图 形 的 方 式 预 测 蛋 白 质 序
列 中 可 能 形 成 α 螺 旋 和 β 折 叠 的 片 段

用 helixturnhelix 和 pepcoil, 预 测 该 序 列 当 中
是 否 有 这 些 特 殊 的 domain
结 果 显 示 : 没 有 这 些 domain

最 后 用 patmatmotif, 预 测 该 蛋 白 具 有 哪 些 特 征 序
列
结 果 显 示 : 有 1 个 Amidation 酰 胺 化 位 点

第 四 部 分 血 红 蛋 白 功 能 预 测 的 验 证
突 变
突 变 导
致 镰 刀
型 贫 血
症
突 变 与
结 合 氧
能 力 的
关 系

镰 刀 型 红 细 胞 贫 血 症
镰 刀 型 红 细 胞 贫 血 症 是 一 种 “ 分 子 病 ”, 即 分
子 结 构 、 特 别 是 蛋 白 质 分 子 结 构 发 生 遗 传 性 变
化 而 造 成 的 病 变 。
为 什 么 会 出 现 这 样 的 遗 传 病 呢 ?

研 究 表 明 : 出 现 镰 刀 型 红 细 胞 , 原 因 在 于 :
异 常 血 红 蛋 白 β 链 的 第 6 位 谷 氨 酸 被 缬 氨 酸 所 代
替 。
由 于 带 负 电 的 极 性 亲 水 谷 氨 酸 被 不 带 电 的 非 极
性 疏 水 缬 氨 酸 所 代 替 , 致 使 血 红 蛋 白 的 溶 解 度
下 降 。 在 氧 张 力 低 的 毛 细 血 管 区 , 血 红 蛋 白 形
成 管 状 凝 胶 结 构 ( 如 棒 状 结 构 ), 导 致 红 细 胞 扭 曲
成 镰 刀 状 ( 即 镰 变 )。

β 链 的 第 6 位 谷 氨 酸 被 缬 氨 酸 所 代 替
未 突 变 的 β 链 的 第 6 位 Glu
突 变 后 β 链 的 第 6 位 Val

β 链 的 第 6 位 谷 氨 酸 被 缬 氨 酸 所 代 替
未 突 变 的
hemoglobin
突 变 的 hemoglobin

β 链 的 第 6 位 Glu 未 突 变 时
与 相 邻 的 血 红 蛋 白 β 亚 基
不 能 相 连
β 链 的 第 6 位 Val 突 变 时 与
相 邻 突 变 的 β 亚 基 相 连

为 什 么 脱 氧 合 血 红 蛋 白 镰 刀 型 化 而 氧 合 血
红 蛋 白 ( 携 氧 ) 不 镰 刀 型 化 ?
通 过 图 中 的 分
析 , 可 以 简 单
解 释 为 : 在 氧
合 形 式 中 , 血
红 蛋 白 亚 基 的
重 新 排 列 使 β
链 的 口 袋 不 能
接 受 相 邻 的 血
红 蛋 白 分 子 。

第 五 部 分 斑 头 雁 血 红 蛋 白 序 列 , 结 构
和 功 能 的 分 析

引 言
斑 头 雁 是 候 鸟 中 一 个 特 殊 的 物 种 。 它 们 夏 天 居 住
在 青 海 湖 , 而 在 秋 天 会 飞 过 青 藏 高 原 到 达 印 度 再
在 春 天 飞 回 。 有 趣 的 是 , 与 斑 头 雁 亲 缘 关 系 接 近
的 灰 雁 长 年 居 住 在 印 度 低 地 , 并 不 迁 徙 。 通 过 两
者 血 红 蛋 白 的 序 列 对 比 发 现 仅 有 4 处 发 生 了 替 换 。
灰 雁 alpha 亚 基 中 第 119 位 脯 氨 酸 在 斑 头 雁 中 变 为
丙 氨 酸 。 该 残 基 位 于 alpha/beta 的 分 界 面 上 。 目
前 研 究 认 为 , 这 种 残 基 的 改 变 导 致 脱 氧 状 态 时 张
力 状 态 的 变 化 使 得 alpha 和 beta 亚 基 之 间 的 接 触
减 少 , 从 而 增 强 了 对 氧 的 亲 和 力 。 下 面 我 们 将 用
SPDBV 软 件 来 证 明 该 结 论 。

1、 序 列 比 对
从 NCBI 上 分 别 搜 索 1a4f 和 1faw 可 以 得 到 斑 头 雁
和 灰 雁 的 血 红 蛋 白 alpha 和 beta 亚 基 的 蛋 白 质 序
列 各 两 条 。
以 fasta 格 式 保 存 到 本 地 计 算 机 , 并 用 wablab 中
的 needle 工 具 进 行 序 列 比 对 , 注 意 的 是 alpha 和
beta 亚 基 分 别 进 行 比 对 。

序 列 比 对 的 结 果 显 示 , 斑 头 雁 和 灰 雁 的 血 红 蛋 白 仅 有 4 个 氨 基
酸 的 差 异 。

2.PDB 文 件 的 获 取
• 首 先 下 载 并 安 装 SPDB-Viewer 软 件 .
• 进 入 PDB 主 页 后 , 搜 索 1a4f 和 1faw 分 别 得 到 斑
头 雁 血 和 灰 雁 的 血 红 蛋 白 3D 结 构
• 点 击 download 图 标 , 下 载 1a4f.pdb 和
1faw.pdb 文 件 至 本 地 计 算 机 。

3、 载 入 文 件
载 入 蛋 白 质 文 件 : 在 菜 单 file→open PDB file
选 择 目 标 pdb 文 件 , 即 可 载 入 。
载 入 蛋 白 质 后 , 我 们 首 先 打 开 windows 下 的
control panel 和 layers infos。
去 除 主 链 和 侧 链 , 用 ribon 形 式 分 别 显 示 , 并 选 择
color-Secondary Structure Succession 对 其
染 色 。

4.3D 结 构 的 显 示
斑 头 雁 血 红 蛋 白 的 氧 合 形 式 1a4f
灰 雁 血 红 蛋 白 的 氧 合 形 式
1faw

5、 选 定 所 需 序 列
通 过 color-chain 功 能
我 们 很 容 易 看 出 1a4f
由 α 和 β 两 个 亚 基 组 成 ,
而 1faw 则 含 有 4 个 亚
基 。
选 取 1faw 的 α 和 β 亚 基 ,
保 存 为 1faw-ab, 便
于 后 面 的 操 作 。

6. 用 SPDBV 进 行 结 构 分 析
由 上 图 可 以 看 出 , 斑 头 雁 α 链 119 位 的 Ala 和 灰 雁 α 链
119 位 的 Pro 都 位 于 血 红 蛋 白 α 链 和 β 链 的 结 合 处 。

7、α 链 和 β 链 之 间 距 离 的 测 定 - 斑 头 雁
显 示 斑 头 雁 α 链 119 位 Ala 周 围 6 埃 的 氨 基 酸

8.α 链 和 β 链 之 间 距 离 的 测 定 - 灰 雁
未 突 变 119 位 脯 氨 酸
突 变 119 位 丙 氨 酸

9、 结 论
和 灰 雁 比 较 , 斑 头 雁 血 红 蛋 白 α 链 119 位 Ala 使
亚 基 间 距 离 减 小 , 导 致 分 子 疏 松 、 亚 基 间 牵 制
作 用 弱 , 从 而 更 易 结 合 氧 气 分 子 。 推 测 其 氧 合
曲 线 趋 于 平 缓 , 这 符 合 斑 头 雁 在 高 原 缺 氧 情 况
下 结 合 氧 气 的 需 求 。
以 上 现 象 说 明 α-119 在 血 红 蛋 白 氧 亲 和 力 上 起
到 了 非 常 重 要 的 作 用 。 因 此 可 以 通 过 改 变 这 一
残 基 来 提 高 血 红 蛋 白 的 氧 亲 和 力 。

Last,but not the least…
Thank you!