原始蛋白结构与功能的生物信息学研究

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1、山东理工大学硕士学位论文原始蛋白结构与功能的生物信息学研究姓名：杨芙蓉申请学位级别：硕士专业：生物化学与分子生物学指导教师：张红雨20080420山东理T人学硕lj学位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(．om

2、ics)”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(molecularfossils)”，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

3、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fIamilv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—100pcontainingnucleosidetriphosphatehydrolases(c．37)、TIMbeta／alpha-ba玳1(c．1)、NAD(P)-bindingIbssmallll-folddomains(

4、c．2)、Ferredoxin·1ike(d．58)、RibonucleaseH．1ikemotif(c．55)和FlaVodoxin．1ike(c．23)，这与此前Caetano．Anoll6s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『F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Horo晰tz假说的合理性。关键词：生命起源；原始蛋白；分子化石；代谢进化；Ho

5、ro嘶tz-Retro铲adeAbstract1’heoriginoflifeisoneofthethreemostilnpollantbasicalsciencequestions．SinceMiller’sexpe血nentsdependedonreducinggasest}latmaybepresentontlleprimordialE狐hinl953，theresearchofthelifeoriginhademeredanewera．Theoriginof锄inoacidandgeneticcodehasstudiedbetterinthepastdecad

6、es，but、veknowlittleabouttheprimitiveprotein，becauseitisve9di衢culttoexploremestructuresand如nctionsoftheVeUanciemproteins．Ho、Vever，f瓠tdevelopmentofthegenomicsandstmct．genomicsandsoonhaVesupplyusmuchinf6nnationsonproteinstmcturesand如nctions，whichcanbetakentostudytheevolutionoftheproteinStm

7、ctures．Someelementsofproteins，suchaSarCh“ectures(folds)，ca协lyticsiteofenz)，mes，coenzymes，cofactors，andshortsequencesandsoon，isver)，conseⅣedd埘ngeVolutionthatcallseⅣeaSmolecularfossilstohelpinfermecharactersofprimitiveproteinsonstmcturesaIldfhnctions．111eprelimina巧successofthisst