植物磷酸化蛋白质组的生物信息学分析

发布时间：2017-09-27 04:21

  本文关键词：植物磷酸化蛋白质组的生物信息学分析

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【摘要】：蛋白质磷酸化是指通过蛋白激酶的催化作用将ATP中的磷酸基团转移到底物蛋白质特定氨基酸残基上的过程。磷酸化具有可逆性,去磷酸化由磷酸酶介导。作为最重要也是目前研究最为广泛的蛋白质翻译后修饰之一,可逆的磷酸化修饰在植物的生长发育过程中起着至关重要的作用,几乎参与了所有的生物学过程,例如新陈代谢、信号转导、环境响应等。近年来,随着高通量蛋白质组学技术的快速发展,植物磷酸化数据呈现了爆炸式的增长,如何从海量的数据中提取有用的信息成为该领域的一大挑战。本文针对植物蛋白质磷酸化开展了生物信息学研究,包括数据库构建、软件开发以及网络分析等,并取得一系列研究成果。 蛋白质磷酸化底物位点是磷酸化修饰的调控对象,因此了解底物位点是研究磷酸化调控的基础。通过编审PubMed数据库中的文献,我们手工搜集了经实验鉴定的植物磷酸化底物位点数据,并整合其他公共数据库中的可用资源构建了一个全面的植物磷酸化数据库dbPPT。该数据库总共包含了20个植物物种中31,012个磷酸化蛋白质上的82,175个磷酸化位点。与其他数据库相比,dbPPT数据库所含的磷酸化位点更多、覆盖的植物种类也更为广泛。此外,我们对该数据库中的磷酸化蛋白质及磷酸化位点进行了详细的注释。 蛋白激酶是磷酸化修饰的关键调控因子,我们以粳稻为例描述了植物蛋白激酶鉴定的计算方法及流程。首先,通过整合经实验验证并分类的蛋白激酶,在家族层面上构建了相应的隐马尔科夫模型；然后,利用已构建的隐马尔科夫模型对粳稻的非冗余蛋白质序列进行搜索,从而来预测该物种的潜在蛋白激酶。对于没有隐马尔科夫模型的激酶家族,我们采用同源搜索的方式对该家族相应的蛋白激酶进行了鉴定。通过以上两种方式,总共鉴定出分布在9个组46个激酶家族中的1,296个粳稻蛋白激酶。 在了解磷酸化底物位点与蛋白激酶的基础上,激酶特异性调控关系的鉴定是研究磷酸化修饰的关键。由于计算预测能够为激酶与底物调控关系的研究提供有价值的参考信息,因此我们开发了GPS3.0软件来预测真核生物潜在的激酶特异性磷酸化位点。首先,基于文献阅读搜集了实验证实的激酶特异性磷酸化位点；然后,利用该数据集作为训练集并采用之前开发的GPS算法进行模型训练,继而开发了GPS3.0预测软件。经过严格的评估与比较,该软件的预测性能优于其他同类工具,能够预测到464个人类蛋白激酶的潜在磷酸化位点,并实现了预测结果多方面的可视化。 在植物磷酸化数据库和激酶特异性磷酸化位点预测软件开发的基础上,我们还首次提出了进一步研究植物体内位点特异性激酶与底物相互关系的方法。该方法整合了GPS的激酶特异性磷酸化位点预测、植物的磷酸化组学数据以及蛋白激酶和蛋白质相互作用信息。基于实验验证的植物激酶特异性磷酸化位点数据集的检验结果表明,该方法在植物中的预测可行且可靠。利用基于隐马尔科夫模型和同源搜索的计算方法鉴定的粳稻、籼稻以及普通野生稻的蛋白激酶,采用该方法对水稻的磷酸化蛋白质组进行了预测和分析,磷酸化网络分析结果表明：水稻磷酸化调控网络为无尺度网络,该网络与抗病过程高度相关但在抗逆过程中却不是很富集,而人工选择大大加快了水稻磷酸化调控的进化速率等。 从磷酸化数据的整合、蛋白激酶的鉴定到激酶与底物相互关系预测软件的开发以及磷酸化调控网络的分析,本工作系统地研究了植物中的蛋白质磷酸化修饰,为深入探索磷酸化的分子机制及其在植物生长发育过程中的调控作用提供了新的方法和思路。
【关键词】：蛋白质磷酸化 蛋白激酶 磷酸化位点 激酶特异性磷酸化位点 位点特异性激酶与底物的相互关系 水稻
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q946;Q811.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-36
• 1.1 植物供酸化简介11-14
• 1.2 植物播酸化的实验方法14-21
• 1.3 植物供酸化的生物信`ぱХ治，
  
  本文编号：927594
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