基于蛋白质起源的蛋白质相互作用网络演化机制的研究

A variety of important biological cellular processes are performed via the protein-protein interactions (PPIs), in the form of networks. Therefore, the study on the evolutionary processes of PPI networks is critical to our understanding on the origination, organization and development mechanisms of biological activities. The emergence of massive PPI data and the maturation of computational evolutionary biological techniques, provide us the opportunities to study the evolutionary mechanisms on the generation of PPI networks in a genome-wide scale. In this project, we will explore the evolutionary processes of PPI networks from a new angle of protein origination. Firstly, we will probe the correlations between proteins ages and network topological features, and the underlying biological mechanisms leading to these correlations. After that, we will further explore the correlations between proteins origination mechanisms and network topological features, and how protein ages and origination mechanisms together affect the generation of PPI networks. Finally, based on all the above results, we will systematically evaluate the biological relevance for current PPI network evolutionary models, and further improve these models by introducing new evolutionary parameters. Our work would create a new field for the PPI network evolutionary studies, and open a new window to the theoretical and methodological studies for both evolutionary biology and functional genomics.

细胞内的各种重要的生理过程都是以蛋白质间的相互作用为纽带，并形成网络。因而，研究蛋白质互作网络的形成过程对我们理解生命活动的起源，组织及发展机制具有至关重要的意义。大量蛋白质互作数据的涌现以及计算演化生物学技术的成熟，使得从全基因组层次上研究蛋白质互作网络的形成机制成为了可能。本项目中，我们拟从蛋白质起源的角度来探索蛋白质互作网络的形成过程。首先，我们将研究蛋白质年龄和各种网络参量之间的关联性，并探索促成两者之间关联性的潜在生物学机制。其次，我们将研究蛋白质起源机制和各种网络参量的相关性，并与蛋白质年龄结合，来探索两者如何共同影响蛋白质互作网络的形成。最后，我们将系统地检验现有蛋白质互作网络演化模型的生物学相关性，之后通过引入新的演化参数对现有的网络演化模型进一步优化。我们的工作将进一步为蛋白质互作网络的演化研究开辟新的思路，并为演化生物学和功能基因组学的理论和方法的探索研究打开新的窗口。

众所周知，蛋白质是生命的物质基础和生命活动的主要执行者。然而蛋白质分子并非单独执行其生物功能，而是通过彼此之间相互作用形成的复杂网络来实现细胞内各种复杂重要的生理过程。因而，研究蛋白质互作网络的形成过程对我们理解生命活动的起源，组织及发展机制具有至关重要的意义。随着越来越多的蛋白质互作关系的测定，以及复杂网络理论的不断成熟，为蛋白质互作网络的研究带来了新的发展机遇。在本项目中，我们选择了蛋白质起源作为切入点，运用演化生物学的理论来研究蛋白质互作网络的形成机制。我们首先通过利用蛋白质起源鉴定手段，为蛋白质互作网络的蛋白节点赋予年龄和起源机制属性，然后运用网络分析工具计算了各个蛋白质节点的网络拓扑参量。通过结合蛋白年龄和其网络拓扑参量分析，我们发现相比年老蛋白，年轻蛋白往往具有较少连接，处于网络的边缘位置，说明网络连接的获得是一个随着蛋白年龄增长的逐步过程。通过结合蛋白起源机制和其网络拓扑参量分析，我们发现相对于从头起源蛋白，通过复制方式而来的蛋白往往具有更多链接，而且与其母蛋白具有较高比例的重复链接，说明复制产生的新蛋白可以从母蛋白中继承网络连接关系，但同时也在不断演化获取新的连接。最后，通过使用上述分析中的参数，我们构建了蛋白质互作网络演化的计算模拟模型，所模拟的网络结果与实验测定的网络数据在网络拓扑结构上高度吻合。我们的工作以一种全新的视角对蛋白质互作网络的演化形成过程进行了全面的研究，从而为演化生物学和功能基因组学的理论和方法的探索提供了新的研究思路。