整体蛋白质鉴定中的高效算法研究及其软件开发

Reliable protein identification is one of the fundamental issues in computational proteomics. Intact protein identification is highlighted in past five years due to the rapid technical advancements of both separation and mass spectrometry on the large scale level. However,currently there is still lacking of the effective bioinformatic algorithms and software to process the large scale high-resolution mass spectral data,which blocks the wide application of intact protein identification. This project will address the intact protein identification and develop the following three pivotal algorithms for intact protein identification: (1) the effective preprocessing algorithm for mass spectral data; (2) the efficient generating algorithm for candidate proteins; and (3) identificaiton and localization algorithm for proteins with multiple post-translational modifications. The practical software will be developed according to the new algorithms.This research will provide the bioinformatic support in algorithms and software for intact protein identification.

蛋白质的可靠鉴定是计算蛋白质组学中一个首要的问题。最近五年，由于规模化的蛋白质分离技术与质谱技术的快速发展，以整体蛋白质为对象的鉴定新方法逐渐发展起来；然而，对于整体蛋白质大规模高精度质谱数据的自动化处理，目前还缺少有效的生物信息学算法与软件，制约了整体蛋白质鉴定方法的应用。本项目以解决整体蛋白质的鉴定问题为核心，着重解决三个算法方面的问题：（1）质谱数据的有效预处理算法；（2）高效的候选蛋白质产生算法；（3）多翻译后修饰的鉴定与定位打分算法。通过集成这些新的算法成果，开发出实用的整体蛋白质鉴定软件，为促进整体蛋白质鉴定方法的应用提供在算法与软件方面的生物信息学技术支持。

最近五年，规模化的整体蛋白质（Top-down）分离技术与高精度质谱技术获得了快速发展，然而，由于整体蛋白质质谱数据本身的高度复杂性，以及鉴定过程中的高计算量特点，整体蛋白质质谱数据的自动化处理，一直缺乏有效可靠的生物信息学算法与软件，这极大地制约着整体蛋白质鉴定方法的广泛应用。为此，本项目以整体蛋白质鉴定中的高效算法研究为核心内容，着重解决完成了四个主要算法方面的研发问题：（1）整体蛋白质质谱数据的有效预处理算法pParseTD；（2）基于序列标签与动态规划算法的搜索引擎；（3）截断蛋白鉴定的高效算法；（4）基于同位素标记技术的整体蛋白质定量算法。通过集成这四项我们新研究的算法成果，我们还开发出了具有独立知识产权的整体蛋白质鉴定实用软件平台pTop 2.0，获得了国家技术发明专利。经过在多个数据集上的测试，结果表明pTop2.0的综合性能，包括精度，速度，定量准确性等已经显著超越了目前流行的国际软件平台，而且其快速准确鉴定算法与高效可靠的定量算法在同一软件平台上实现了无缝链接，完成了一键式的大规模整体蛋白质鉴定与定量功能。在实战应用方面，pTop2.0在酵母的整体蛋白质鉴定与定量研究中已经发挥出了不可替代的贡献，研究成果已经在领域内国际主流期刊上发表。这为在整体蛋白质鉴定领域内的更广泛应用提供了在算法与软件两个方面的生物信息学强有力技术支持。除了上述研究计划外，我们还在（1）整体蛋白质的碎裂行为统计发现；（2）模拟质谱的构造与测试；以及（3）基于同位素标记的鉴定结果质量评估，这三个方面开展了原创性的探索研究，同时也取得了重要进展及学术成果。

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