基于小波变换的膜蛋白跨膜螺旋区段预测研究

摘要

膜蛋白，尤其是跨膜蛋白在细胞的生命活动中扮演着极其重要的角色，因而跨膜蛋白的结构和功能的研究受到了广泛的重视。但是，蛋白质结构测定需要相当数量的纯化蛋白，而跨膜蛋白的肽链贯穿整个磷脂双层，有的还多次折返穿膜，跨膜螺旋则与膜紧密结合，因此首先要用去垢剂使膜崩解才能将跨膜蛋白分离出来，然后才能纯化及结晶。这不仅在技术上有相当大的困难，而且是高消耗的。正是由于分离和纯化的困难，使得跨膜蛋白的高分辨率三维结构测定和解析远远不能满足对跨膜蛋白功能研究的需要。而计算机预测和分析膜蛋白的跨膜螺旋区段(transmembranehelicalsegments，TMHs)则可为揭示跨膜蛋白的结构与功能关系提供重要信息。 享有“数学显微镜”美誉的小波变换是近20多年来迅速发展起来的崭新的数学技术，是当前数学科学中的一个迅猛发展的新方向。它既有丰富的数学理论意义，又具有广泛的应用价值，给许多相关学科的研究领域带来了新的思想，为众多应用领域提供了一种新的更有效的分析工具。迄今虽已有文献报道了多种预测膜蛋白跨膜螺旋的方法，但在预测准确度和适应性方面都有不足之处。本文系统地总结了目前膜蛋白跨膜螺旋预测的研究现状及进展，着重探讨小波变换的基本原理及其在生物信息学研究中的应用，提出了基于离散小波变换(DiscreteWaveletTransform，DWT)的膜蛋白跨膜螺旋区段预测的新方法，并把此方法称之为WavePrd。 首先，选用欧洲生物信息中心建立的跨膜蛋白数据集中的两类总共60条蛋白质序列构建独立的测试集，主要从三个不同层次对膜蛋白进行分析，得到详细的预测结果，并从两类数据中各选出一条膜蛋白序列进行讨论，将两类数据的预测结果与TMHMM2.0、MEMSAT两种预测方法的主要结果进行比较，结果表明，作者的方法具有较高的预测准确度。其次，从最新的MPtopo数据库中选取三维结构已知的80条膜蛋白序列作为序列分析的数据集，引入交叉证实方法，利用五种不同的常用疏水参数值从两个不同层次来预测膜蛋白跨膜螺旋区段的位置和数目，结果表明，选用FP疏水参数和KD疏水参数预测膜蛋白的跨膜螺旋区段效果最好；还以一条膜蛋白序列为例进行讨论，并结合其它七种方法的预测结果进行比较，证实了WavePrd方法的有效性；按照膜蛋白的功能和类型，把80条序列划分成13组，运用KD疏水参数对13组膜蛋白序列进行跨膜螺旋区段预测，达到了令人满意的结果。最后，对上述两个数据集的预测结果进行了评价。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

1.1引言

1.2膜蛋白结构预测的意义

1.3论文的结构和内容安排

第二章膜蛋白跨膜螺旋区段预测

2.1认识膜蛋白

2.1.1膜蛋白以多种方式与脂双层结合

2.1.2多肽链通常以α螺旋穿过脂双层

2.1.3已知的少数几种膜蛋白结构

2.2膜蛋白跨膜螺旋区段预测的研究现状及进展

2.2.1跨膜螺旋区段预测的常用方法

2.2.2预测方法准确度的评价

2.2.3最新研究进展及发展前景

2.2.4常用预测方法网址

2.3本章小结

第三章小波变换的基本原理及其在生物信息学研究中的应用

3.1引言

3.2小波变换的理论基础

3.2.1连续小波变换

3.2.2离散小波变换

3.2.3多分辨分析与Mallat算法

3.3常用小波函数简介

3.3.1常用小波

3.3.2小波性质一览表

3.4生物信息学与小波

3.4.1基因组DNA序列分析

3.4.2蛋白质结构研究

3.4.3基因芯片的数据分析

3.5本章小结

第四章基于小波交换的膜蛋白跨膜螺旋区段预测

4.1基于SWISS-PROT数据集的膜蛋白跨膜螺旋区段预测

4.1.1材料和方法

4.1.2评价指标的选取

4.1.3结果与讨论

4.2基于MPtopo数据集的膜蛋白跨膜螺旋区段预测

4.2.1材料和方法

4.2.2结果与讨论

4.3对两个数据集预测结果的评价

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1论文的总结

5.2存在的问题和对未来的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢