第7章 生物分子网络
主讲：刘 伟
Citrate Cycle
基因组
蛋白质-基因 相互作用
蛋白质组
蛋白质-蛋白质 相互作用
代谢网络
内容提要
7.1 生物分子网络介绍
7.1.1 生物分子网络定义 7.1.2 生物分子网络分类 7.1.3 举例：信号转导网络
7.2 网络属性分析
7.2.1 单个分子的属性 7.2.2 网络的模块性质 7.2.3 网络的整体属性
信号转导
由蛋白质相互作用引起的 蛋白质状态的改变
蛋白质-蛋白质相互作用
代谢通路 由酶催化的生化反应

蛋白质-蛋白质相互作用 蛋白质-代谢物相互作用
基因调控 转录因子对基因的调控
蛋白质-蛋白质相互作用 蛋白质-基因相互作用
7.1.2 生物分子网络分类
蛋白质相互作用是多种细胞功能的分子基础 代谢中包含酶之间的相互作用，信号转导包含大 量的蛋白质相互作用，基因调控包含蛋白质相互 作用和蛋白质-DNA相互作用。
典型的信号转导通路
细胞分裂
细胞收缩
快速（少于1秒）
慢（数分钟到几小时）
7.1.3 举例：信号转导网络
特点1：通路内部存在多个分支
几个分支通路可以实现同一信号传递功能
7.1.3 举例：信号转导网络
特点1：通路内部存在多个分支
对于单个蛋白质有多种激活与抑制关系
7.1.3 举例：信号转导网络
特点2：不同通路之间存在交叠
Proc Natl Acad Sci U S A. 2008, 105(19):6959-64
7.1.3 举例：信号转导网络
细胞信号转导
信号分子与细胞表 面受体作用，经细 胞内信号转导系统 的转换影响细胞内 信使的水平变化， 进而引起细胞应答 反应的过程。
信号分子产生部位 血管
信号分子
靶细胞
7.1.3 举例：信号转导网络
7.3 人类疾病网络
7.1.1 生物分子网络定义
在生命活动的过程中，基因或蛋白质通常 不是独立的，而是通过相互作用来共同完 成生物学功能。
生物分子网络：由生物分子及各种分子之 间相互作用所组成的网络。
7.1.1 生物分子网络定义
节点：基因、蛋
生 白质等生物分子 物 分 子 网 络 示 意 图
不同分子网络的表示形式有所区别 蛋白质相互作用网络是无向的，其他几种网络是 有向的，存在分子之间的调控关系。
7.1.2 生物分子网络分类
蛋白质相互作用
英国的Michael Stumpf等设计了一种新颖的数学 工具，估计有机体中蛋白质相互作用网络的尺寸
估计人体内蛋白质相互作用的数量约为65万，是 果蝇的10倍，是单细胞酵母的20倍。这与之前基 因数的比较结果相差巨大——人类的基因数约为 2.5万，果蝇的大约为1.4万，二者相差不到2倍
细胞分化——使得细胞内的遗传程序有选择地表达， 从而使细胞分化成为有特定功能的成熟细胞；
细胞功能——促进肌肉细胞收缩或舒张、细胞释放神 经递质或化学介质、细胞骨架的形成等；
细胞凋亡——为了维护多细胞生物的整体利益，在局 部范围内和一定数量上发生的利他性自杀死亡。
7.1.3 举例：信号转导网络
按照生物学通路的功能，分为： 信号转导
——接收外界刺激信号并作出响应的过程
代谢通路
——控制物质的合成与分解，为细胞提供能量
基因调控
——对基因的转录翻译等过程进行精确的调控
7.1.2 生物分子网络分类
代谢通路
基因调控网络
7.1.2 生物分子网络分类
几种生物分子网络的比较
分子网络
主要特点
相互作用类型
连接度
化速率
Hub节点可分为两类
‘party’ hubs：同 时与多个蛋白质发 生相互作用；
信号的具体表现形式 物理信号：光、热、紫外线、X-射线
化学信号：激素、神经递质、生长因子等
7.1.3 举例：信号转导网络
信号转导的功能
细胞代谢——使细胞摄人并代谢营养物质，提供细胞 生命活动所需要的能量；
细胞分裂——促使与DNA复制相关的基因表达，调 节细胞周期，使细胞进入分裂和增殖阶段；
7.2.1 单个分子的属性
数据集：小鼠海马趾神经元细胞中的信号 网络，包括608个节点和1427对相互作用
Ma‘ayan A et al. science, 2005
7.2.1 单个分子的属性
（1）连接度 ——与某个节点发生相互作用的其他节点的数目
非中心节点
中心节点
7.2.1 单个分子的属性
基因敲除对应的小鼠表型：
边：分子之间 的相互作用
7.1.1 生物分子网络定义
生物分子：基因、蛋白质、代谢物等
生物分子之间的相互作用
蛋白质—蛋白质相互作用 蛋白质—基因的相互作用 蛋白质—代谢物的相互作用
7.1.1 生物分子网络定义
蛋白质-蛋白质相互作用通常由结构域-结 构域相互作用来介导
7.1.2 生物分子网络分类
II型糖尿病 胰岛素受体
巨人症
生长激素过多
肿瘤
生长因子受体
主要临床特征 色觉异常 高血糖 骨骼过度生长 细胞过度增殖
7.1.3 举例：信号转导网络
信号转导网络的特点
单个信号通路内部有多个分支
多个信号通路之间存在交联
复杂网络结构
响应过程非常精确 与精确的分子调控机制有关
7.1.3 举例：信号转导网络
0级 无明显表型 连 接 度
1级 致病可存活
2级 致死
表型严重程度
连接度越高的蛋白质，对于小鼠生存更重要
7.2.1 单个分子的属性
中心蛋白质的进化速率受到一定的抑制
Ka/Ks表示进化速率
Ka：非同义替代的次数
进化
Ks：同义替代的次数
速
率
将小鼠的基因序列与人、
犬、黄牛、黑猩猩、猕猴、
大鼠相比，计算平均的进
研究生物分子网络的意义
阐明蛋白质的功能，研究细胞中某一生理活动中 所有相关蛋白质的变化及作用机制
理解生物系统的组织结构，发现生物分子网络的 组成规律和独特属性
揭示生物的进化信息
7.2 网络属性分析
7.2.1 单个分子的属性 7.2.2 网络的模块性质 7.2.3 网络的整体属性
网络作为一种通用语言
不同的通路使用一些共同的分子机制 不同的信号分子引发同一细胞响应
7.1.3 举例：信号转导网络
特点3：响应过程非常精确
第一步：信号分子与受体的相互作用
第二步：信号分子及时降解 信号转导过程中的失误可能导致严重的疾病发生
7.1.3 举例：信号转导网络
特点3：响应过程非常精确
疾病
异常部位
遗传性色盲 锥形视蛋白