结构生物信息学讲解
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生物信息学（Bioinቤተ መጻሕፍቲ ባይዱormatics）
• 数据驱动 （data driven） • 基础
– 现代生物学基本原理 （中心法则、分子进化…) – 高通量数据采集手段 – 统计学 – 信息科学 (数据库、机器学习、模式识别、知识发现、互
联网…)
• 问题： 生物信息学分析中涉及到了哪些数据？
生物信息学的基本策略
最简单: 序列一致性 (sequence identity)
哪些共同特征? （2）
• 同源蛋白应该具有相对保守的功能 （催化同类化学反应、结合同类型的其他 分子等）
• 蛋白质功能依赖于三维结构
按照上述原理，我们同样应该能够根据三维 结构上的共同特征来判断蛋白质分子是否 同源。
最简单: 主链原子位置的均方根偏差(RMSD)
Content Identification Accession number(s) Date Description Gene name(s) Organism species Organelle Organism classification Taxonomy cross-reference Reference number Reference position Reference comment(s) Reference cross-reference(s) Reference group Reference authors Reference title Reference location Comments or notes Database cross-references Keywords Feature table data Sequence header Sequence data Termination line
--Merriam-Webster Dictionary
同源进化上有共同的起源
哪些共同特征? （1）
• 分子生物学的中心法则
转录 DNA
翻译 RNA
蛋白质
遗传信息：贮存在DNA的核苷酸序列中
进化中被复制以及发生变异的是 基因的核苷酸序列（以及相应的蛋白质序列）
因此，按照分子生物学的基本原理，我们应该根据核苷酸序列或者氨基酸序列上 的共同特征来判断序列的是否同源
1、从相似性推断同源性 相似性（similarity）
Similar：having characteristics in common
同源性（homology）:
--Merriam-Webster Dictionary
A similarity often attributable to common origin
例：根据序列预测蛋白质在核内的定位
序列motif
蛋白在细胞核内定位
（核定位信号，NLS，nuclear localization signal)
http://cubic.bioc.columbia.edu/predictNLS/
分子生物学的模型： 转运蛋白识别NLS序列，复合物通过 核孔被主动转运到核内
the monopartite motif is characterised by a cluster of basic residues preceded by a helix-breaking residue. Similarly, the bipartite motif consists of two clusters of basic residues separated by 9-12 residues
'NLS cores are hexapeptides with at least four basic residue and neither acidic nor bulky residues' .
However, this motif matches only few nuclear and many non-nuclear proteins.
Sets of nuclear and non-nuclear proteins. SWISS-PROT release 38.0 with annotations of sub-cellular localisation (ignoring PUTATIVE, POTENTIAL, BY SIMILARITY). sorted all remaining proteins into two sets: (1) nuclear proteins (true positives, 3142 proteins) and (2) non-nuclear proteins (true negatives, 5910 proteins).
数据源: ftp://ftp.expasy.org/databases/swiss-prot/
手册: http://www.expasy.org/sprot/userman.html
Line code ID AC DT DE GN OS OG OC OX RN RP RC RX RG RA RT RL CC DR KW FT SQ (blanks) //
数据搜集
• 实验数据分析
– 实验观察到的NLS有没有共同点？ – 这些共同点是否足以区分核蛋白和非核蛋白？ – 能否根据序列间的进化关系对实验数据进行扩展？
• Collecting initial set of NLS from literature.
– e.g. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/ Search pubmed for “nuclear localization signal” Among the listed records “Nuclear localization signal-receptor affinity correlates
生物信息学的基本策略（2）
2、发现和利用不同特征间的关联关系 （Guilty by association）
例如：
序列整体特征
序列同源性
结构整体特征
序列局部特征（如motif）
结构局部特征
功能模式
关联关系的发现： 数据搜集、特征提取与数据建模、参数估计的 过程。知识发现。
关联关系的利用：数据检索、统计检验、实验验证的过程。知识 利用。
with in vivo localization in S. cerevis” “related articles”…
– 实验观察到的NLS有没有共同点？ – 这些共同点是否足以区分核蛋白和非核蛋白
Positively charged residues are abundant in NLSs.
• 数据驱动 （data driven） • 基础
– 现代生物学基本原理 （中心法则、分子进化…) – 高通量数据采集手段 – 统计学 – 信息科学 (数据库、机器学习、模式识别、知识发现、互
联网…)
• 问题： 生物信息学分析中涉及到了哪些数据？
生物信息学的基本策略
最简单: 序列一致性 (sequence identity)
哪些共同特征? （2）
• 同源蛋白应该具有相对保守的功能 （催化同类化学反应、结合同类型的其他 分子等）
• 蛋白质功能依赖于三维结构
按照上述原理，我们同样应该能够根据三维 结构上的共同特征来判断蛋白质分子是否 同源。
最简单: 主链原子位置的均方根偏差(RMSD)
Content Identification Accession number(s) Date Description Gene name(s) Organism species Organelle Organism classification Taxonomy cross-reference Reference number Reference position Reference comment(s) Reference cross-reference(s) Reference group Reference authors Reference title Reference location Comments or notes Database cross-references Keywords Feature table data Sequence header Sequence data Termination line
--Merriam-Webster Dictionary
同源进化上有共同的起源
哪些共同特征? （1）
• 分子生物学的中心法则
转录 DNA
翻译 RNA
蛋白质
遗传信息：贮存在DNA的核苷酸序列中
进化中被复制以及发生变异的是 基因的核苷酸序列（以及相应的蛋白质序列）
因此，按照分子生物学的基本原理，我们应该根据核苷酸序列或者氨基酸序列上 的共同特征来判断序列的是否同源
1、从相似性推断同源性 相似性（similarity）
Similar：having characteristics in common
同源性（homology）:
--Merriam-Webster Dictionary
A similarity often attributable to common origin
例：根据序列预测蛋白质在核内的定位
序列motif
蛋白在细胞核内定位
（核定位信号，NLS，nuclear localization signal)
http://cubic.bioc.columbia.edu/predictNLS/
分子生物学的模型： 转运蛋白识别NLS序列，复合物通过 核孔被主动转运到核内
the monopartite motif is characterised by a cluster of basic residues preceded by a helix-breaking residue. Similarly, the bipartite motif consists of two clusters of basic residues separated by 9-12 residues
'NLS cores are hexapeptides with at least four basic residue and neither acidic nor bulky residues' .
However, this motif matches only few nuclear and many non-nuclear proteins.
Sets of nuclear and non-nuclear proteins. SWISS-PROT release 38.0 with annotations of sub-cellular localisation (ignoring PUTATIVE, POTENTIAL, BY SIMILARITY). sorted all remaining proteins into two sets: (1) nuclear proteins (true positives, 3142 proteins) and (2) non-nuclear proteins (true negatives, 5910 proteins).
数据源: ftp://ftp.expasy.org/databases/swiss-prot/
手册: http://www.expasy.org/sprot/userman.html
Line code ID AC DT DE GN OS OG OC OX RN RP RC RX RG RA RT RL CC DR KW FT SQ (blanks) //
数据搜集
• 实验数据分析
– 实验观察到的NLS有没有共同点？ – 这些共同点是否足以区分核蛋白和非核蛋白？ – 能否根据序列间的进化关系对实验数据进行扩展？
• Collecting initial set of NLS from literature.
– e.g. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/ Search pubmed for “nuclear localization signal” Among the listed records “Nuclear localization signal-receptor affinity correlates
生物信息学的基本策略（2）
2、发现和利用不同特征间的关联关系 （Guilty by association）
例如：
序列整体特征
序列同源性
结构整体特征
序列局部特征（如motif）
结构局部特征
功能模式
关联关系的发现： 数据搜集、特征提取与数据建模、参数估计的 过程。知识发现。
关联关系的利用：数据检索、统计检验、实验验证的过程。知识 利用。
with in vivo localization in S. cerevis” “related articles”…
– 实验观察到的NLS有没有共同点？ – 这些共同点是否足以区分核蛋白和非核蛋白
Positively charged residues are abundant in NLSs.