基于粗顆粒模型的細胞內大分子相互作用網絡研究.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。細胞內含有蛋白質、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，形成了細胞內大分子相互作用網絡。為了同步、直接的觀察和研究這一作用網絡，理論生物學家們構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果不準確，有些模型計算結果與實驗接近，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，構建了含206種最小蛋白質組的大腸桿菌粗顆粒細胞質模型和細胞模型，通過建立驗證模型進行擴散運動分析，證明了構建的模型不僅計算量相對較小而且結果與前人實驗和理論研究相近，能正確描述細胞內環(huán)境的運動性質，對于深入了解細胞內生理變化，進而探索生命奧秘具有非常重要的理論意義和現實意義。
　　 本論文的主要研究內容和結果如下:
　　 1.使用大腸桿菌最小蛋白質組的206種蛋白質構建細胞質粗顆粒模型

3、，通過分析，發(fā)現不同pI值下206種蛋白質的種類數和總個數均呈雙峰分布;而蛋白質在pH=7時的靜電荷則與蛋白質的質量呈負的線性相關關系，即大部分帶正電荷的蛋白質，其分子質量都比較小，而分子質量越大的蛋白質，可能帶越多的負電荷。
　　 2.基于郎之萬方程，對構建的11個細胞質模型使用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果的統計分析，結果發(fā)現細胞中蛋

4、白質之間形成了復雜的相互作用網絡關系。
　　 3.研究正常濃度蛋白質組模型NM1-3、M8、M16的擴散運動和碰撞行為，進一步分析蛋白質相互作用網絡的分布特征和規(guī)律，結果發(fā)現，蛋白質分子質量和電荷影響其擴散性質，蛋白質的擴散常數隨荷質比增大而增大;細胞內蛋白質的平均碰撞數隨絕對電荷的增大而增大，越接近電中性的蛋白質，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絡的空間

5、分布，通過隨機濃度蛋白質組模型RM1-6與正常濃度模型NM1-3對比，發(fā)現正常濃度模型的聚類平均值最大，細胞內蛋白質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，說明蛋白質作用網絡處于一個動態(tài)平衡中。
　　 5.在細胞質模型基礎上引入RNA和環(huán)狀DNA分子，構建大腸桿菌虛擬細胞模型，采用相同的模擬和分析方法，驗證了蛋白質濃度及電荷對蛋白質在細胞內運動和相互作用的影響，該結論可以推廣應用到整個細胞。