蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)比對(duì)和表面建模的研究.pdf

1、本文主要研究了與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的兩個(gè)課題:結(jié)構(gòu)比對(duì)和表面建模,并用兩章分別詳細(xì)介紹之。
　　第一章簡(jiǎn)要介紹了何為生物信息學(xué)以及碩士期間接觸的主要生物信息學(xué)技術(shù),并敘述了文章主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。
　　第二章提出了一種新的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)比對(duì)算法。兩結(jié)構(gòu)比對(duì)可以看作是在三維空間中最優(yōu)地重疊兩個(gè)結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步找出重合的最大區(qū)域,是個(gè) NP-hard問(wèn)題。本章中通過(guò)將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一種簡(jiǎn)單的二值二部圖匹配問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了快速

2、比對(duì)的目的。為了得到一個(gè)精確穩(wěn)定的比對(duì),算法分為兩個(gè)階段:首先由動(dòng)態(tài)規(guī)劃生成初始比對(duì),之后迭代地用“互近鄰算法”優(yōu)化初始比對(duì)。為了得到好的初始比對(duì),引入了Q-面體法描述蛋白質(zhì)鏈的局部結(jié)構(gòu);在迭代階段,通過(guò)采用模擬退火技術(shù)增加了算法的精度?；谒惴ㄩ_(kāi)發(fā)了Linux和Windows系統(tǒng)下結(jié)構(gòu)比對(duì)軟件CONN。本章后半部分通過(guò)大量數(shù)值實(shí)驗(yàn),將CONN與一些著名的結(jié)構(gòu)比對(duì)軟件(如 Dali,STRUCTAL,CE,MultiProt，MASS和

3、SAMO)進(jìn)行了比較。三個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上的測(cè)試表明,CONN生成的比對(duì)較好地權(quán)衡了“均方根偏差”(RMSD)和“匹配上的殘基個(gè)數(shù)”這兩個(gè)互相矛盾的比對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);基于統(tǒng)計(jì)顯著性估計(jì)得分(p-value)的接收者操作特征(ROC)曲線分析表明,CONN探測(cè)的相似性與差異性與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù) SCOP吻合的較好;直接用幾何匹配測(cè)度所作的比較表明,CONN能探測(cè)更多的蛋白質(zhì)間相似性;此外,從軟件的運(yùn)行時(shí)間比較結(jié)果看,CONN快于STRUCTAL

4、,CE,SAMO,MultiProt和MASS,適于數(shù)據(jù)庫(kù)搜索。一般地,在Linux系統(tǒng)下,用Inter(R) Pentium(R)1300MHz處理器512M內(nèi)存的個(gè)人計(jì)算機(jī),CONN可以在0.1秒內(nèi)得到大約200個(gè)殘基蛋白質(zhì)對(duì)的比對(duì)。本章相關(guān)數(shù)據(jù)和開(kāi)發(fā)的軟件CONN可以在作者網(wǎng)頁(yè)下載(http://www.bioinformatics-ahu.cn)。
　　第三章提出了一種新的蛋白質(zhì)三維表面生成模型。蛋白質(zhì)分子通過(guò)表面殘基相互

5、作用,計(jì)算和分析分子表面對(duì)發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)具有重要意義。本章將二維主動(dòng)輪廓模型推廣到三維,通過(guò)解對(duì)應(yīng)于能量泛函最小化的偏微分方程,得到了一種新的蛋白質(zhì)表面生成方式——曲面演化模型。主動(dòng)輪廓曲線在圖像處理鄰域已經(jīng)廣泛應(yīng)用并取得了成功。主動(dòng)輪廓曲面模型的基本想法是在一個(gè)給定的三維“圖像”約束下,通過(guò)演化一個(gè)曲面以探測(cè)在那個(gè)圖像中的物體的邊界。為了得到表面,需要數(shù)值求解偏微分方程,以及采用一些迭代和重新初始化技術(shù)。與傳統(tǒng)曲面生成方法不同,

6、三維曲面演化模型不是僅僅生成單一的曲面,而是產(chǎn)生能描述不同表面分辨率的曲面序列。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同時(shí)刻生成的曲面是對(duì)實(shí)際的蛋白表面的不同程度的近似,當(dāng)單一的溶劑可接觸表面描述蛋白表面特征還不夠充分時(shí),不同分辨率的近似曲面就為描述該蛋白提供了新的特征,為蛋白質(zhì)表面建模和比較提供了新的思路。結(jié)果顯示,生成的蛋白質(zhì)表面適合于形狀分析和可視化。此外,所有生成的曲面的演化是由偏微分方程控制的,所以當(dāng)初始表面足夠光滑時(shí),生成的表面也將部分地繼承