定量序效模擬.pdf

1、定量序效模擬(QSAM)是定量構效關系(QSAR)研究的一個新穎的分支學科，它主要從生物分子一級序列出發(fā)定量研究結構與活性(性質)之間的內在聯(lián)系，并給出恰當的函數描述，從而達到對未知目標功能預測及指導結構修飾和改造等目的。本文從QSAM方法學研究入手，分別在肽/蛋白質和核酸序列單元及整體結構表征方法、配基．受體作用模式、虛擬疫苗庫設計、疏水作用色譜保留行為模擬、蛋白質高級結構預測理論等方面進行了試探性研究，取得了一定成果。這些工作主要包

2、括以下幾個方面： ①從天然堿基的36種性質參數出發(fā)，通過主成分分析(PCA)技術處理得到了一個顯著的主成分得分，并將該得分作為單個堿基的信息描述子：VBPV。進而使用VBPV對38個大腸桿菌(E.coli)，啟動子序列一級結構進行表征，并結合多元統(tǒng)計方法將表征參數與轉錄啟動強度(PS)成功地建立了定量序列-活性模型(QSAM)，該模型擬合復相關系數r與交叉檢驗復相關系數q分別為0.9712和0.9515。在此基礎上對靶標序列進行

3、了定點改造，得到了5條具有潛在啟動活性的新型Ecoli啟動子序列，該結果有待進一步實驗驗證。 ②使用天然氨基酸149個疏水性質經主成分分析得到了一種新氨基酸描述子：氨基酸廣義疏水標度(GH-scale)。進而使用GH-scale結合遺傳偏最小二乘(GA-PLS)算法對152個HLA-A<'*>0201限制性CTL表位進行定量構效關系(QSAR)研究。所建模型擬合及交叉檢驗復相關系數分別為r<'2>=0.813和q<'2>=0.7

4、25。研究表明疏水作用在CTL表位與HLA-A*0201結合過程中扮演極其重要角色，而錨定殘基是該類作用發(fā)生最顯著的部位。 ③將有機化合物中常見的原子按元素周期表的族和雜化狀態(tài)進行分類，通過計算藥物分子內部不同類型原子之間的三類非鍵相互作用(靜電、立體和疏水)得到一種新的旋轉平移不變性3D分子結構表征方法方法：三維原子場全息作用矢量(3D-HoVAIF)。本文中采用3D-HoVAIF對58個血管緊張素轉化酶(ACE)抑制劑和48

5、個苦味二肽進行了系統(tǒng)的QSAR研究，所得GA．PLS模型的r<'2>，q<'2>，RMSEE和RMSCV分別為0.857，0.811，0.376和0.432和0.940，0.892，0.153和0.205，該結果優(yōu)于多數文獻報道。采用D-optimal技術將兩組樣本平分為內部訓練集和外部測試集兩部分，在此基礎上對3D-HoVAIF進行嚴格的統(tǒng)計檢驗，并將其與兩類典型的肽序列表征方法(z-scale和ISA-ECI)加以對比研究，結果較為

6、滿意。進一步采用所建模型對400個理論上可能存在的二肽分子的ACE抑制活性和苦味閥值進行預測，通過相關性分析發(fā)現二肽類物質的ACE抑制活性與苦味強度呈現出顯著的正相關關系，因此難以找到同時具備優(yōu)良藥效(ACE抑制活性較高)且口感舒適(苦味較低)的二肽化合物，可認為采用二肽作為降血壓類功能食品的有效成分并不理想。④通過定義HLA-A<'*>0201限制性CTL表位序列各個位點與HLA-A<'*>0201蛋白分子直接接觸殘基類型以及配基與受

7、體之間的數種非鍵效應計算公式，進而構建了CTL表位-HLA-A<'*>0201的4類非鍵作用矩陣，在此基礎上提出并應用基于結構的定量構效關系(SBQSAR)方法研究了266個HLA-A<'*>0201限制性CTL表位序列與活性之間的關系，所得GA-PLS模型與文獻報道及分子圖形學顯示情況符合良好。研究發(fā)現疏水作用和氫鍵在抗原識別及呈遞過程中扮演著重要的角色，并且這兩類非鍵效應在抗原肽錨定殘基處表現較為突出。 ⑤給出了基于定量序效

8、模型的計算機輔助虛擬疫苗庫設計方案，并以此為基礎成功設計了一個合理規(guī)模的HLA-A<'*>0201限制性CTL表位(抗原肽)庫，其實現流程如下：1)從天然氨基酸516種理化性質經主成分分析(PCA)得到了一種新的氨基酸描述子：氨基酸綜合性質得分(SP-score)；2)基于SP-score結合遺傳一偏最小二乘(GA-PLS)技術建立定量序效模型(QSAM)；3)利用QSAM模型作為評價工具采用遺傳算法(GA)優(yōu)化CTL表位種群；4)統(tǒng)計

9、優(yōu)秀種群中20種氨基酸分別在抗原肽序列上不同位置的出現頻率f;5)保留f>F(F為隨機平均出現概率，對于任意氨基酸為1/20)的氨基酸作為該位置的有利殘基類型參與虛擬組合庫的構建。 ⑥將蛋白質與疏水作用色譜(HIC)固定相相互作用分為直接非鍵/構象作用和蛋白質表面疏水效應兩個熱力學過程，從而定量給出了處于濃鹽析鹽水溶液中HIC保留時間與配基/蛋白質結合自由能之間的二元線性關系。在此基礎上通過ICM柔性分子對接策略及遺傳算法(對2

10、7個已知晶體結構的蛋白質與疏水配基的可能結合方式進行模擬和分析，所得結果與實驗觀測情況符合良好。研究表明蛋白質局部疏水效應以及配基與蛋白質的非鍵/構象作用皆對HIC色譜保留行為影響顯著，且作用區(qū)域多集中于蛋白質表面突出部位。 ⑦采用SP-score對蛋白質一級序列進行矢量化描述，并以此定義基于向量形式的自相關函數以及引入Mercer核技術將該函數運算空間進行非線性變換，最終構造了一種新的蛋白質序列表征方法：核序列自相關函數(KS