產(chǎn)甲烷桿菌耐熱性與序列結(jié)構(gòu)關(guān)系的生物信息學(xué)研究.pdf

1、嗜熱蛋白是一類主要來源于嗜熱微生物的熱穩(wěn)定蛋白，能夠在高溫下長時(shí)間保持活性而不變性。通過對(duì)嗜熱蛋白(熱穩(wěn)定蛋白)和極端嗜熱蛋白與其對(duì)應(yīng)的常溫菌中的同類蛋白的比較研究發(fā)現(xiàn)，其中的大多數(shù)在結(jié)構(gòu)、功能甚至活性作用位點(diǎn)都是極其相似的，但在熱穩(wěn)定性方面卻有著極大的差異。如果能清楚了解嗜熱蛋白的熱穩(wěn)定機(jī)理，對(duì)于人們深入理解蛋白質(zhì)的折疊、結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)化以及在蛋白質(zhì)工程中對(duì)蛋白質(zhì)分子的定向設(shè)計(jì)和改造有著重要的意義。因此本章選取三種不同溫度下的產(chǎn)甲烷桿

2、菌，對(duì)他們的序列和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，尋找耐熱的原因。 本文運(yùn)用了Genbank數(shù)據(jù)庫、COG數(shù)據(jù)庫、PDB數(shù)據(jù)庫、PIR和PSD數(shù)據(jù)庫，利用Matlab語言分析幾個(gè)數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)甲烷桿菌的序列和結(jié)構(gòu)，尋找影響產(chǎn)甲烷桿菌耐熱性的因素。并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)預(yù)測了產(chǎn)甲烷桿菌的蛋白質(zhì)耐熱性。 首先研究了三種產(chǎn)甲烷桿菌的基因序列的特性，主要統(tǒng)計(jì)了密碼子的偏好性和CG含量。在蛋白質(zhì)的編碼基因中，不但包含了所編碼的20種氨基酸的信息

3、，而且還隱藏著一些影響和制約蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的信息。因此，這些信息的發(fā)現(xiàn)有助于提高蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的準(zhǔn)確性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)密碼子的偏好性與密碼子缺失率成正相關(guān)，他們也與產(chǎn)甲烷桿菌的耐熱性成正相關(guān)。 接著對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，包括蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的長度和含量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)耐熱蛋白的長度較長，并有較多的荷電殘基等特性，從眾多的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中選出具有明顯耐熱和非耐熱特性的蛋白和常溫蛋白，提取這些蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的特征訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練好

4、的網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的耐熱性，耐熱性的預(yù)測結(jié)果比較理想，三種產(chǎn)甲烷桿菌局部預(yù)測率可達(dá)86.7％、63.4％和93.3％。 從PDB數(shù)據(jù)庫中下載有關(guān)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息，分析和統(tǒng)計(jì)8種結(jié)構(gòu)的耐熱特性，發(fā)現(xiàn)嗜熱菌中含有較多的α-螺旋和較少的β-折疊。提取耐熱顯著的特性，輸入支持向量機(jī)預(yù)測蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的耐熱性，從預(yù)測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)雖然沒有蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測理想，但是三種結(jié)構(gòu)是可分的。 把代表三種菌的具有耐熱和非耐熱特性的

5、基因序列翻譯成蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)，提取耐熱特征向量后輸入訓(xùn)練好的預(yù)測蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)耐熱性的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)現(xiàn)具有基因耐熱特征的序列翻譯成蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)也同樣具有蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的耐熱特性。用組合DIMLP網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)工具相結(jié)合的方法預(yù)測具有代表三種菌耐熱和非耐熱特征的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)序列的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)預(yù)測出來的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的特征，并提取特征向量輸入預(yù)測蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的支持向量機(jī)預(yù)測耐熱性。通過統(tǒng)計(jì)的方法發(fā)現(xiàn)由具有蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的耐熱性