蛋白质结构分析系列（一）

转自公众号：universebiologygirl
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蛋白质结构分析系列（一）:初步认识

写在前面的
从上次推文到现在过了很长一段时间。一方面是因为之前做的一个课题需要一点点蛋白质结构分析相关的知识和分析技术，另一方面是转博后忙了三个课题一直没空写。上篇推文说要写这个专题，我一定会把它写完。写这个专题之前我先说明，自己并不是结构生物学相关研究领域的，只是因为自己曾经做的一个课题需要这个领域的一点点皮毛知识和技术。在那段时间我发现相比于组学（基因组/转录组/单细胞/等等），甚至是进化，蛋白质结构相关的教程是非常非常少。所以，我仅仅以一个初学者的角度，介绍我所掌握的一些基本知识和技术。希望能对大家有一点帮助。

我对该领域的狭隘的基本认识

        通常情况下，我们认为的蛋白质结构分析可能都是三级结构分析、蛋白和蛋白互作或蛋白与其他生物分子互作的分析，这种分析通常在结构生物学领域常见。事实上，做生物信息学的学生也会经常涉及蛋白质结构分析。一级结构分析诸如寻找与蛋白质功能相关的Domain或motif（例如信号肽预测、跨膜结构预测等等）这是经常的（湿实验学生经常用），这种分析方法通常基于序列比对，配合正则表达式即可。
        更高一点层次则是研究二级结构，二级结构具有三种基本特征:alpha螺旋、beta折叠和无规则卷曲。这些结构也与蛋白质功能有关。我目前知道DNAMAN软件可以基于预测这三种结构。
        从三级结构开始，可能大家接触就比较少了。三级结构目前流行的研究手段有基于冷冻电镜、X衍射等湿实验解析实际晶体结构的方法。当一个蛋白结构已经经过冷冻电镜等解析后，通常会上传记录该蛋白质结构信息的文件到PDB（Protein Data Bank）数据库中，该文件可以理解为类似于核苷酸序列被测序后的FASTA文件，不过相比于FASTA序列该文件更复杂。除了记录蛋白质每个氨基酸的信息外，还有这些氨基酸残基及其残基上化学基团等原子信息，每个原子的空间位置都以x,y,z空间坐标系的方式被记录。（详细的后面的推送会讲）。

       蛋白质三级结构分析开始关注于蛋白质结构比较、建模更精确的微观问题。如果你要研究的蛋白质结构未知，但是与之同源的蛋白质有已知的晶体结构。可以采用基于同源建模的方法预测你的蛋白质结构，这种方法的原理是蛋白质一级结构决定高级结构，相似的一级结构会有相似的高级结构。采用的软件有PDB数据库在线软件，SWISSMODEL，modeller等。如果要研究的蛋白质结构未知，从头建模是目前唯一但是不建议的方法。因为目前从投建模很难将结构预测准确。但是同源建模已经有文献证明当两条序列相似度大于30%时，空间结构预测大约60%准确的结构，当序列相似度大于60%时，一般情况下有准确预测90%以上的结构。

        获得蛋白质结构后，通常会研究蛋白质与生物分子的互作。此时，研究方法就显著多样化了。蛋白质分子与生物分子互作分为蛋白与蛋白互作、蛋白与非蛋白互作，而蛋白与非蛋白互作又分为蛋白与大分子互作和蛋白与小分子互作。研究两个分子能否对接是互作通常研究的问题。例如新冠疫情初始上海巴斯德研究所就采用同源建模+分子对接的方法研究了新冠病毒S蛋白可以结合人类ACE2。湿实验通常会用分子互作仪、抗原抗体结合等方式研究蛋白与生物分子的互作，这种研究方法很直观。两个分子能不能互作，实验一做就知道。但是当有些蛋白难以表达或纯化时，干实验方法就成为了另外一种研究手段。分子对接分析则是在生物信息学领域研究蛋白质与生物分子互作的方法。这种方法是基于两个或多个分子之间通过几何匹配和能量匹配相互识别找到最佳匹配模式的过程。但是这里主要分为了两个模型，1.刚性对接模型，2.柔性对接模型。（如果这里要展开讲就很复杂了，后面更到这个部分时详细讲）刚性对接这个比较好理解，蛋白质在结合其他生物分子时构象不会发生改变。柔性对接则是在结合其他生物分子时，蛋白质构象会根据被结合对象的构象适当发生一些改变。

接下来的时间，我将主要围绕上面的内容，撰写推送尽可能把我所学会的知识、分析方法逐步介绍给大家。