蛋白质共价修饰是指在细胞生命活动过程中,特定氨基酸残基的侧链共价地连接新的化学基团或小蛋白质,以及主链共价键在水解酶切的作用下发生断裂。共价修饰的时空特异性极大地丰富了蛋白质组的多样性,并在调节蛋白质的稳定性与功能上起到了极为重要的作用,从而参与细胞的各项生化和生理过程。目前已发现超过350种共价修饰,针对这些修饰的一系列研究也取得了可喜的进展。尽管如此,由于实验研究手段的限制以及相关数据的欠缺,只有少数几种共价修饰如蛋白质磷酸化得到了较为系统的研究。由于传统的实验学方法鉴定蛋白质的共价修饰需要耗费大量的时间、精力与资源,通过计算预测与分析来减少可能的靶标以指导体外或体内实验吸引了许多研究者的兴趣。另一方面,近年来高通量、高精度质谱技术以及高效分离与富集方法的快速发展极大地推动了共价修饰的相关研究。对某些修饰如磷酸化等,在一次实验中鉴定成千上万个底物及其位点已经成为较为常规的实验技术。然而,如何对这些数据进行系统分析并挖掘出其中的生物学含义,则完全依赖于生物信息学的发展。目前,已有超过170个数据库与预测工具为共价修饰提供计算分析服务。然而,随着共价修饰的实验研究的逐步深入,相应的计算工具仍然较为缺乏或者精确度不够。因此,在之前的研究基础上,我们发展了更为有效的计算模型与算法以推进对共价修饰的研究。通过不断改进蛋白质共价修饰预测算法GPS,我们发布了一系列的算法版本,包括GPS2.1,GPS2.2和GPS3.0。利用这些算法,我们针对一系列不同的蛋白质共价修饰开发了预测工具,其中包括第一个蛋白质酪氨酸硝基化位点预测工具GPS-YNO2、第一个原核类泛素化位点预测工具GPS-PUP、第一个泛素化E3连接酶APC/C的底物模体识别软件GPS-ARM、第一个半胱胺酸亚硝基化位点预测工具GPS-SNO、第一个Plk家族激酶磷酸化与磷酸化结合位点预测工具GPS-Polo,以及相比其他预测工具而言准确度更高的激酶特异性磷酸化位点预测工具GPS2.1、calpain介导的酶切底物预测工具GPS-CCD、酪氨酸硫化位点预测工具GPS-TSP、半胱胺酸棕榈酰化位点预测工具CSS-Palm3.0。此外,还将算法扩展到其他领域,通过将吉布斯采样方法引入预测算法中,成功地实现了对抗原表位的的预测并开发了预测工具GPS-MBA。对于所有的预测工具我们均开发了在线预测服务网站与本地化可安装的预测软件。除了开发预测工具以外,我们还整合并构建了共价修饰相关的数据资源,包括第一个赖氨酸乙酰化位点数据库、泛素化及类泛素化相关酶数据库、蛋白激酶及磷酸酶数据库。通过阅读文献,我们一共收集了3311个蛋白质中的7151个实验证实的赖氨酸乙酰化位点,并结合蛋白质相互作用信息等数据构建了CPLA (Compendium of Protein Lysine Acetylation)数据库以整合乙酰化底物及其位点。利用这些数据,我们首次构建了人类蛋白质赖氨酸乙酰化调控网络,对其进行的详尽计算分析指出组蛋白乙酰转移酶-底物-组蛋白去乙酰化酶三联体应该是乙酰化调控的主要机制,并对可能存在的三联体进行了大规模计算鉴定,已有一部分结果在之前以及最近的一些研究中得到了验证。针对泛素化以及类泛素化修饰,我们通过收集实验证实的修饰相关酶以及去修饰酶,结合隐马尔可夫模型和同源搜索计算方法,对70种真核生物中的E1、E2、E3和DUBs进行了计算鉴定,并提供了详细的注释和分类。利用类似的方法,我们还对84中真核生物中的蛋白激酶和磷酸酶进行了计算鉴定和注释以及进化分析。利用预测工具,我们对共价修饰数据进行了更进一步的分析。对酪氨酸硝基化和半胱胺酸亚硝基化进行系统分析的结果表明,虽然这两种修饰都跟一氧化氮依赖的氧化压力关系密切,并且均参与抗凋亡等生物学过程,但是酪氨酸硝基化倾向于与更为基础的生物学过程如转录与翻译相关,而半胱胺酸亚硝基相比较而言更与离子转运、糖酵解等相关。而通过对酪氨酸上的三种修饰硫化、硝基化与磷酸化进行系统分析,我们对这三种修饰之间的串扰进行了研究。结果表明,硫化和硝基化之间的原位串扰显著地少,而硫化和硝基化都偏好于磷酸化酪氨酸上而不是非磷酸化酪氨酸上发生串扰。计算预测表明总共约有24.4%的已知的磷酸化位点可能也被硫化或者硝基化修饰。进一步的统计分析结果表明硫化和硝基化偏好于与磷酸化在不同的生物学过程和功能中串扰。基于目前已有的磷酸化组学数据,结合计算预测与分析方法,我们首次对Plk家族激酶介导的磷酸化调控进行了系统的分析,指出其调控方式主要为分配式模型。统计分析表明,相比于Plk介导的磷酸化底物,其磷酸化结合的蛋白质更与有丝分裂相关。进一步的计算分析以及体外体内实验证实了人源Mis18B是一个新的Plkl结合蛋白质,而pTl4和pS48为其磷酸化结合位点。此外,与共价修饰类似的金属离子结合如锌离子的配位结合对蛋白质的结构与功能有着至关重要的作用。除了金属离子自身的生理作用以外,金属离子还通过参与蛋白质的功能行使而介入生命活动的各项过程。我们通过对锌离子与蛋白质结合位点的结构特征进行分析,发展出了基于蛋白质残基几何构型的锌离子结合位点预测方法。通过与同类计算工具进行仔细的比较,该方法被证明是可靠有效的。利用该方法,我们对已有晶体结构的蛋白质进行了大规模计算分析,其结果表明在进化过程中锌离子结合蛋白质显著更多地参与到高等生物的复杂生物学过程中来,并且显著地与疾病相关且富集在可能的药物靶点中。综上,我们针对蛋白质共价修饰开发了一系列的预测工具与软件,构建了一系列的数据资源并对其进行了计算分析。在此基础上,我们针对蛋白质共价修饰组学数据发展出了统计与系统分析方法,并通过生化与细胞实验对计算结果予以证实。针对以锌离子结合为代表的蛋白质与金属离子结合,我们发展出了基于蛋白质结构几何特征的新的计算方法,并应用到大规模数据的分析中。我坚信,在当前共价修饰和金属离子结合的研究现状下,我们的生物信息学工作结合后续的生物化学与细胞生物学实验,能把蛋白质共价修饰以及蛋白质与金属离子结合引入新的快速发展阶段,从而更深入地探索蛋白质共价修饰以及蛋白质与金属离子结合在生命活动的重要功能及其作用机制。