基于粗顆粒模型的細胞內(nèi)大分子相互作用網(wǎng)絡研究.pdf

1、細胞是生命的基本單位，對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、征服疾病和造福人類的關鍵。細胞內(nèi)含有蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子，這些大分子進行一系列復雜而又精密的生化反應和生理過程，形成了細胞內(nèi)大分子相互作用網(wǎng)絡。為了同步、直接的觀察和研究這一作用網(wǎng)絡，理論生物學家們構(gòu)建了不同的虛擬細胞模型，但是有些模型太粗糙導致計算結(jié)果不準確，有些模型計算結(jié)果與實驗接近，但計算量大計算耗時，無法推廣應用到更深層次上的細胞研究中。
　　 本論文在前人研究基

2、礎上，引入了靜電作用和疏水作用項，構(gòu)建了含206種最小蛋白質(zhì)組的大腸桿菌粗顆粒細胞質(zhì)模型和細胞模型，通過建立驗證模型進行擴散運動分析，證明了構(gòu)建的模型不僅計算量相對較小而且結(jié)果與前人實驗和理論研究相近，能正確描述細胞內(nèi)環(huán)境的運動性質(zhì)，對于深入了解細胞內(nèi)生理變化，進而探索生命奧秘具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義。
　　 本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 1.使用大腸桿菌最小蛋白質(zhì)組的206種蛋白質(zhì)構(gòu)建細胞質(zhì)粗顆粒模型

3、，通過分析，發(fā)現(xiàn)不同pI值下206種蛋白質(zhì)的種類數(shù)和總個數(shù)均呈雙峰分布;而蛋白質(zhì)在pH=7時的靜電荷則與蛋白質(zhì)的質(zhì)量呈負的線性相關關系，即大部分帶正電荷的蛋白質(zhì)，其分子質(zhì)量都比較小，而分子質(zhì)量越大的蛋白質(zhì)，可能帶越多的負電荷。
　　 2.基于郎之萬方程，對構(gòu)建的11個細胞質(zhì)模型使用NAMD軟件進行長時間尺度布朗動力學模擬，利用CHARMM、Mathematica和Python等程序編程輔助進行模擬結(jié)果的統(tǒng)計分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細胞中蛋

4、白質(zhì)之間形成了復雜的相互作用網(wǎng)絡關系。
　　 3.研究正常濃度蛋白質(zhì)組模型NM1-3、M8、M16的擴散運動和碰撞行為，進一步分析蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡的分布特征和規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)分子質(zhì)量和電荷影響其擴散性質(zhì)，蛋白質(zhì)的擴散常數(shù)隨荷質(zhì)比增大而增大;細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的平均碰撞數(shù)隨絕對電荷的增大而增大，越接近電中性的蛋白質(zhì)，其碰撞幾率也越低。
　　 4.分子之間直接或間接的接觸會形成聚類，聚類的形狀和大小反映了相互作用網(wǎng)絡的空間

5、分布，通過隨機濃度蛋白質(zhì)組模型RM1-6與正常濃度模型NM1-3對比，發(fā)現(xiàn)正常濃度模型的聚類平均值最大，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)維持合適的濃度比例有利于形成穩(wěn)定的聚類，隨著時間變化，聚類的大小有輕微的波動，說明蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡處于一個動態(tài)平衡中。
　　 5.在細胞質(zhì)模型基礎上引入RNA和環(huán)狀DNA分子，構(gòu)建大腸桿菌虛擬細胞模型，采用相同的模擬和分析方法，驗證了蛋白質(zhì)濃度及電荷對蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)運動和相互作用的影響，該結(jié)論可以推廣應用到整個細胞。