基于序列信息的酶蛋白质分子结构功能的理论研究

Enzyme protein is necessary and universal macromolecule for life,research of its structure and function has important relation with development of new drugs, the harvest of the crops and the biochemical synthesis.And experimental methods to study the structure and function of the enzyme protein itself is low throughput,cannot be used to annotate a large number proteins that obtained by developmental genome sequencing technology. Therefore,study and prediction of enzyme structure and function is necessary by using experimental data of high throughput, computer technology, mathematical method and physical model. Enzyme function is often reflected in key binding site, and thus prediction of structure and functional site of enzyme became one of the research hot topics of the protein research. In this project, based on enzyme protein sequences, the research contents include: prediction of classes and subclasses of enzyme;analysis and prediction of super secondary structure motifs β-β (β-hairpin and β-α-β motif); study and prediction of conservative property of amino acid in the functional site; development of webpage software prediction system.

酶蛋白质是生命中必需和通用的大分子，对其结构功能的研究与新药的开发、农作物的收成以及生化合成等有着重要的联系。用实验的方法来研究酶蛋白质结构和功能本身就是低通量的，已经不能用来注释在高速发展的基因组测序技术中所获得的大量蛋白质。因此人们通过计算机技术，采用数学方法和物理模型，利用各种高通量的实验数据来进行酶蛋白质结构功能研究和预测成为必然。酶蛋白质分子的功能往往体现在关键的结合位点上，因而酶蛋白质的结构及功能位点预测也是酶蛋白质研究的热点之一。本课题主要的研究内容是，从酶蛋白质序列出发，研究酶蛋白质的家族分类及亚类分类（功能预测）；酶蛋白质的超二级结构β-β模体（包括β-发夹和β-α-β模体）的分析及预测；酶蛋白质的β-发夹和β-α-β模体功能位点的氨基酸保守性及预测；预测的网页软件原型系统开发。

酶是一类生物催化剂，生物体内几乎所有的代谢反应中酶都发生作用，如果失去酶的调控，将使生物体内的代谢紊乱，因此对酶蛋白质分子结构和功能的研究非常重要。其结构和功能的研究对新药的设计开发、农作物的收成以及生化合成等有重要的指导作用。随着蛋白质数据库的完善和计算机技术的进一步发展，在理论上研究酶蛋白质分子的结构及功能成为可能。本课题基于酶蛋白质序列信息，主要研究了酶蛋白质的家族分类及亚类分类（功能预测）；酶蛋白质的超二级结构及β-β模体（包括β-发夹和β-α-β模体）的分析和预测（结构预测）；酶蛋白质的β-发夹和β-α-β模体功能位点的氨基酸保守性及简单预测（功能预测）；研制预测的网页软件原型系统。研究结果有：构建了新的非冗余的酶蛋白质结构及功能数据库；每一部分研究工作都有严格的统计分析过程，并结合研究对象的生物背景知识，利用一些计算技巧给出了具有代表性的特征参数（如离散增量值、矩阵打分值等）；经过大量的计算和技术处理摸索出了一些合理的计算算法（如随机森林算法、支持向量机平衡算法等），得到了目前最好的预测结果，达到国际前沿水平。同时为了方便广大研究者交流和使用研究结果，我们制作了预测的网页平台系统，随时可用于酶蛋白质的结构和功能预测。这些结果为酶蛋白质结构和功能研究奠定了坚实基础，为实验工作者提供理论指导。