蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)建模方法研究.pdf

1、蛋白質(zhì)是生物體中最重要的大分子之一，幾乎所有的生命活動都有蛋白質(zhì)分子的參與。蛋白質(zhì)分子的功能往往與其空間結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，因此人們對于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)投入越來越多的注意(如國際上有專門的結(jié)構(gòu)基因組計劃)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的試驗測定費時費力，并且成功率非常有限，而未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子數(shù)量非常龐大。為了解決這個矛盾，同時更是為了深入認(rèn)識生物大分子空間結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，研究者一直試圖發(fā)展分子模擬方法發(fā)展用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測。在過去十年來，國際上開展了六次結(jié)構(gòu)預(yù)測

2、CASP實驗來評估當(dāng)前結(jié)構(gòu)預(yù)測能力?？偟膩碚f，雖然過去十年這一領(lǐng)域取得了很大進展，但離完全解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測問題的目標(biāo)仍有相當(dāng)大距離。 在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測中，從頭預(yù)測是一類重要方法。盡管目前最成功的從頭預(yù)測方法仍然離實際結(jié)構(gòu)預(yù)測較遠(yuǎn)，但從某種意義上講，從頭預(yù)測實際上是對我們關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)規(guī)律認(rèn)識的最終檢驗手段。從頭預(yù)測一般依賴三個因素：表示蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的合適模型，和模型在同一分辨率水平(粒度)的準(zhǔn)確的勢函數(shù)，以及能夠有效搜索構(gòu)

3、象空間的采樣算法。 在本論文的第一部分中，我們將遺傳算法、局部優(yōu)化算法并與niche技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了一種有效的蛋白質(zhì)構(gòu)象采樣方法。在模型中，我們僅僅使用主鏈重原子和Cβ原子來表示蛋白分子，其中主鏈二面角只選用五種狀態(tài)。模擬中，我們選用了兩類不同的能量函數(shù)，一種是簡單的Go勢能函數(shù)，在這個函數(shù)中，天然構(gòu)象為全局唯一最小能量構(gòu)象(-1.0)；另一個是基于知識的原子對相互作用勢函數(shù)DFIRE。前者用于檢驗構(gòu)象搜索算法的有效性，后者

4、用于探索目前勢能函數(shù)用于從頭預(yù)測的能力。我們總共模擬了36個具有不同二級結(jié)構(gòu)、長度在35到146個殘基之間的蛋白分子。模擬結(jié)果表明我們的采樣算法同buildup算法及標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法相比能夠找到更低能量的構(gòu)象。使用Go勢函數(shù)時，我們能夠得到全局極小點附近的近天然結(jié)構(gòu)，最低RMSD在3.0A以下。使用DFIRE勢函數(shù)時，幾乎對所有蛋白分子都能夠找到更低勢能構(gòu)象(只有一個例外)，這些低能量的構(gòu)象雖然比天然結(jié)構(gòu)能量還低，但結(jié)構(gòu)和天然結(jié)構(gòu)相差很大，

5、這說明了這個勢函數(shù)在結(jié)構(gòu)從頭預(yù)測上的能力仍舊是有限的。 本論文的第二部分中，我們報道對基于知識的勢能函數(shù)的改進。目前在各類評判數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)最好的基于知識的勢能函數(shù)是RAPDF和DFIRE。它們都忽略了多肽鏈的共價結(jié)構(gòu)對原子間空間距離分布的影響。以前的嘗試表明簡單地分開統(tǒng)計不同共價距離的原子間的空間距離是不可行的。在我們的新勢函數(shù)中，我們引入了一級結(jié)構(gòu)上近鄰原子的排除體積效應(yīng)。這樣，對一級結(jié)構(gòu)上近鄰與非近鄰殘基間相互作用可以分別

6、處理。改進后的勢函數(shù)在一系列測試中Z-score或者成功率兩種指標(biāo)相對于原有勢函數(shù)都有一定的提高。 論文的第三部分中，我們根據(jù)NMR實驗數(shù)據(jù)和單體的已知空間結(jié)構(gòu)來預(yù)測SUMO蛋白和它的聯(lián)合輔酶Ubc9(E2)的復(fù)合物結(jié)構(gòu)模型。我們使用了HADDOCK程序。該方法通過NMR化學(xué)位移信息，確定蛋白界面上參與相互作用的殘基，這些殘基通常與另一個分子空間上相近。利用以上信息可定義兩個蛋白間的模糊相互作用約束集。在復(fù)合物建模中，通過添加

7、一個額外的約束勢使這些殘基處于相互作用界面。最后的復(fù)合物結(jié)構(gòu)模型表明，Ubc9蛋白中氮端的α1螺旋和相鄰的L1環(huán)結(jié)構(gòu)在形成復(fù)合物時構(gòu)象變化很大，它們一起協(xié)同向SUMO蛋白中的β片斷疏水側(cè)移動，這些結(jié)果與以前的Ubc9突變分析和構(gòu)象柔性研究結(jié)果相一致。 論文第四部分報道我們在實驗室先前的配基從頭設(shè)計程序DycoBlock基礎(chǔ)上，采用GBSA模型來考慮溶劑效應(yīng)。在DycoBlock方法中，許多不同官能團的分子片段被隨機放到受體蛋白

8、的活性區(qū)域。我們采用MCSS算法來同時優(yōu)化這些官能團的結(jié)合位點。程序根據(jù)幾何位置和分子片段的化學(xué)特性在片段間產(chǎn)生新的共價鍵將這些官能團連接起來，并對由此生成的候選化合物進行模擬優(yōu)化。在整個模擬中，溶劑環(huán)境對結(jié)合能的影響很大，而在模擬中將真正的水分子放進去是很困難的。通過GBSA隱式的包括溶劑效應(yīng)是個有效的方法。在整個模擬中，我們在勢能中加入一項Born靜電溶劑項，而溶劑可及性面積影響僅僅在最后的結(jié)合自由能計算中包含進去。此外，為了方便軟