蛋白质翻译后修饰调控有丝分裂和细胞自噬的生物信息学研究

摘要

蛋白质翻译后修饰是发生在蛋白质翻译完成后，将各类化学小分子基团或者小蛋白质共价结合到底物特定氨基酸残基上的过程，也被称为共价修饰。翻译后修饰可调控蛋白质的构象、活性以及功能从而参与多种生物学过程，如转录调控、信号转导、细胞周期和细胞死亡等。有丝分裂和细胞自噬是细胞中重要的两个生物学过程，虽然在细胞中具有不同的生物学功能，但两者在过程和功能上具有很多相似性和相关性。有丝分裂和细胞自噬过程中都涉及到很多蛋白质，且研究表明蛋白质翻译后修饰在其中发挥着重要的调控作用。近年来，大量的蛋白质已被鉴定参与有丝分裂和细胞自噬过程；并且高通量蛋白质组学的迅速发展促进了蛋白质翻译后修饰的研究，产生了大量的蛋白质翻译后修饰数据。如何收集、整理和分析这些数据，从中提取有用的信息为进一步实验研究提供参考是该领域急需解决的问题。因此，本文对有丝分裂和细胞自噬过程中的蛋白质及其翻译后修饰情况进行了系统的生物信息学研究。
　　细胞有丝分裂是细胞增殖、维持个体正常生长、发育和遗传物质传递的基础。真核生物细胞中，许多蛋白质定位到细胞的不同位置上并形成各种特定复合物，从而精确调控有丝分裂过程中染色体的分离。本文中，首先通过文献阅读收集了八个模式生物中1,872个经实验验证的位于中体、中心体、着丝粒、纺锤体和端粒上的蛋白质。此外，本文中还鉴定了其他144个真核物种中的直系同源蛋白质，并整合了参考文献、蛋白质翻译后修饰等信息，最终构建了一个包含87,983个细胞有丝分裂相关蛋白质信息的综合数据库MiCroKiTS4.0。
　　细胞自噬是真核生物中进化保守的一种将细胞内物质进行降解的重要生物学过程，在决定细胞存活或死亡、调节细胞内稳态中具有重要作用。除了核心的ATG蛋白质，许多其他的调控蛋白及其翻译后修饰也可参与并调控细胞自噬过程。考虑到细胞自噬是细胞死亡的主要途径之一，本工作从文献中同时收集了参与细胞自噬、细胞凋亡和细胞坏死的蛋白质，得到了4,241个实验验证的蛋白质。富集分析结果表明细胞自噬更倾向于与人类疾病相关，且癌症基因和药物靶标蛋白在人类细胞自噬和细胞死亡途径蛋白质中显著富集。然后，本文构建了人类细胞自噬和细胞死亡途径蛋白质的激酶-底物磷酸化网络，并鉴定了其中重要的蛋白激酶和底物蛋白，结果和之前的相关研究一致。通过整合蛋白质翻译后修饰数据，本工作中得到了11种蛋白质翻译后修饰的54,469个修饰位点，并发现多种翻译后修饰底物蛋白在细胞自噬和细胞凋亡过程中富集。另外，蛋白激酶、蛋白磷酸酶和泛素化相关酶，如泛素连接酶，在细胞自噬和细胞死亡途径蛋白质中富集。由此可知，蛋白质翻译后修饰在调控细胞自噬和细胞死亡途径中发挥了重要作用。
　　在以上研究结果基础上，本文构建了一个细胞自噬和细胞死亡相关蛋白质的综合数据库 THANATOS1.0。基于收集的经实验验证的细胞自噬、细胞凋亡和细胞坏死蛋白质，鉴定了118个真核物种中的直系同源蛋白质，包括47个动物、23个植物和48个真菌，并对斑马鱼的三个蛋白Atg3、Keap1b和Skp2在斑马鱼早期胚胎细胞自噬中的作用进行了实验验证。最终，该数据库包含144,531个细胞自噬和细胞死亡途径的蛋白质，并对已知的蛋白质翻译后修饰、蛋白质-蛋白质相互作用及参考文献等相关信息进行了整合。
　　本工作系统研究了有丝分裂和细胞自噬这两个非常重要又相互联系的生物学过程中的蛋白质及其翻译后修饰情况，为今后深入研究有丝分裂和细胞自噬的分子机制及蛋白质翻译后修饰在其中的调控作用提供了新的思路和数据资源。

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1 绪论

1.1 蛋白质翻译后修饰简介

1.2 蛋白质翻译后修饰的研究方法

1.3 细胞有丝分裂

1.4 细胞自噬

1.5 研究思路和主要内容

2 细胞有丝分裂相关蛋白质数据库MiCroKiTS 4.0构建

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.3 结果分析与讨论

2.4 本章小结

3 蛋白质翻译后修饰调控细胞自噬的生物信息学分析

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.3 结果分析与讨论

3.4 本章小结

4 细胞自噬和细胞死亡数据库THANATOS 1.0构建

4.1 引言

4.2 实验材料和方法

4.3 结果分析与讨论

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士期间发表的论文

附录2 攻读博士期间参加的学术会议