蛋白质- 核酸对接方法研究进展

分子对接技术作为预测蛋白质-核酸复合物结构的有效方法,为研究在生物学过程中蛋白质-核酸的相互作用提供了重要的工具。本文首先分析了当前蛋白质-核酸对接研究中的主要困难,例如构象变化和核糖磷酸骨架的带电性问题。然后从构象搜索、打分函数、柔性策略三个方面比较和总结了蛋白质-核酸对接中主要的计算方法。最后回顾了蛋白质-核酸对接计算模型的应用,并对未来的工作进行了展望。     

蛋白质-蛋白质分子对接方法中分子柔性处理与近天然结构筛选的研究

蛋白质-蛋白质分子对接方法是研究蛋白质分子间相互作用与识别的重要理论方法。该方法主要涉及复合物结合模式的构象搜索和近天然结构的筛选两个问题。在构象搜索中,分子柔性的处理是重点也是难点,围绕这一问题,近年来提出了许多新的方法。针对近天然结构的筛选问题,目前主要采用三种解决策略:结合位点信息的利用、相似结构的聚类和打分函数对结构的评价。本文围绕以上问题,就国内外研究进展和本研究小组的工作作详细的综述,并对进一步的研究方向进行了展望。     

蛋白质与类药分子的柔性对接

本文利用“禁忌搜索”算法和Ｇｅｈｌｈａａｒ简化能量势函数实现蛋白质与类药分子之间的柔性对接。对包含１００个复合物的检验集进行了计算检验,得到了满意的结果,８９％预测复合物结构的误差小于０．２５ｎｍ。与利用遗传算法进行柔性对接的ＧＯＬＤ程序相比,本方法的成功率高,局限性小,计算时间也短。     

预测蛋白质—蛋白质复合物结构的软对接算法

提出了一种有效的软对接算法 ,用于在已知受体和配体三维结构的条件下预测蛋白质 蛋白质复合物的结构。该算法的分子模型基于Janin提出的简化蛋白质模型 ,并在此基础上有所改进。对蛋白质分子表面的柔性氨基酸残基Arg、Lys、Asp、Glu和Met进行了特殊处理 ,通过软化分子表面的方式考虑了它们的侧链柔性。采用双重过滤技术来排除不合理的对接结构 ,此过滤技术是以复合物界面几何互补性和残基成对偏好性为标准提出的。对所得到的构象进行能量优化 ,之后用打分函数对这些结构进行排序 ,挑选出与复合物天然结构接近的构象。该打分函数包括静电、疏水和范德华相互作用能。用此算法对 2 6个复合物进行了结构预测 ,均找到了近天然结构 ,其中有 2 0个复合物的近天然结构排在了前 10位。改进的分子模型可以在一定程度上描述蛋白质表面残基侧链的柔性 ;双重过滤技术使更多的近天然结构保留下来 ,从而提高了算法成功预测的可能性 ;打分函数可以较合理地评价对接结构。总之 ,此种软对接算法能够对蛋白质分子识别的研究提供有益的帮助。     

蛋白质复合物结构预测的集成分子对接方法

蛋白质分子间相互作用与识别是当前生命科学研究的热点,分子对接方法是研究这一问题的有效手段．为了推进分子对接方法的发展,欧洲生物信息学中心组织了国际蛋白质复合物结构预测（CAPRI）竞赛．通过参加CAPRI竞赛,逐步摸索出了一套用于蛋白质复合物结构预测的集成蛋白质一蛋白质分子对接方法HoDock,它包括结合位点预测、初始复合物结构采集、精细复合物结构采集、结构成簇和打分排序以及最终复合物结构挑选等主要步骤．本文以最近的CAPRI Target 39为例,具体说明该方法的主要步骤和应用．该方法在CAPRI Target 39竞赛中取得了比较好的结果,预测结构Model 10是所有参赛小组提交的366个结构中仅有的3个正确结构之一,其配体均方根偏差（L_Rmsd）为0．25nm．在对接过程中,首先用理论预测和实验信息相结合的方法来寻找蛋白质结合位点残基,确认CAPRI Target 39A链的A31TRP和A191HIS,B链的B512ARG和B531ARG为可能结合位点残基．同时,用ZDock程序做不依赖结合位点的初步全局刚性对接．然后,根据结合位点信息进行初步局部刚性对接,从全局和局部对接中挑出了11个初始对接复合物结构．进而,用改进的Rosetta Dock程序做精细位置约束对接,并对每组对接中打分排序前200的结构进行成簇聚类．最后,综合分析打分、成簇和结合位点三方面的信息,得到10个蛋白质复合物结构．竞赛结果表明,A191HIS,B512ARG和B531ARG三个结合位点残基预测正确,提交的10个蛋白质复合物结构中有5个复合物受体一配体界面残基预测成功率较高．与其他参赛小组的对接结果比较,表明HoDock方法具有一定优势．这些结果说明我们提出的集成分子对接方法有助于提高蛋白质复合物结构预测的准确率．     

侧链能量在蛋白质对接优化中的应用

一般的蛋白质对接程序能够提供大量的待选构象,但其中仅含有少量的正确构象。现在对接的主要工作在于如何从这些大量构象中挑出正确构象。我们先前的研究工作证明蛋白质界面比非界面表面具有更高的能量。在这里,我们使用由chen等人提出的一个用于检验、设计对接程序的蛋白质复合物标准库中的非抗原-抗体复合物,将侧链能量运用到对接中,并比较了侧链能量和残基配对倾向性、残基组成倾向性、残基保守性在对接中的表现。单独使用这四项的正确构象的平均百排分位排序分别为：38．6±19．6、26．3±20．8、22．7±16．6和37．8±26．1,但是对于个别蛋白,侧链能量的表现要优于其它的三个参数。我们将四个参数综合起来考虑,发展了一个新的打分函数,平均百排分位排序为22．2±7．8,并且提高了筛选效率。     

蛋白质分子量子化学计算方法的研究进展

蛋白质分子量子化学计算有以下的几种方法:计算显微镜方法、定域分子轨道方法、线性标度半经验量子化学方法、团簇埋入自洽循环计算法。并分析该领域的现状和存在的问题,最后预测了其未来的发展趋势。     

分子对接与全局极小化方法

全局极小化方法及其在结构生物学中的应用近年来取得了显著的进展.适当简化的分子对接问题是全局极小化方法的一个很好目标,并且是当前一个相当活跃的研究领域.对接可分为两类：主要用于从头配体设计的细致对接和用于已知化合物数据库筛选以发现药物的粗略对接,它们对全局极小化算法的要求是不同的.简要评述了新出现的适合于对接问题的随机和确定性全局极小化算法,其中势能平滑算法看来很有希望,值得密切关注.     

蛋白质-蛋白质相互作用及其抑制剂研究进展

蛋白质-蛋白质相互作用在细胞活动和生命过程中扮演着非常重要的角色。基因调节、免疫应答、信号转导、细胞组装等等都离不开蛋白质-蛋白质的相互作用。近几年,靶向蛋白质-蛋白质相互作用及其抑制剂研究也逐渐成为研究的热点;但是蛋白质复合物相互作用界面的一些特点和性质,如相互作用界面较大、结合界面较为平坦等,使蛋白质-蛋白质相互作用及其抑制剂研究充满了挑战。本文主要总结了蛋白质-蛋白质相互作用界面的一些性质和特点,分析了界面特性与其抑制剂设计的关系,并讨论了蛋白质-蛋白质相互作用的理论预测方法及其抑制剂的类型和特点,最后又通过实例说明了如何进行蛋白质-蛋白质相互作用抑制剂的设计。     

应用死端排除法考虑分子对接中的侧链柔性

假设分子对接面的紧密堆积类似于蛋白质内部的紧密堆积,因此用于蛋白质内部的侧链构象预测方法,如死端排除法,可应用于分子对接面内的侧链构象预测。应用９个晶体结构对这一假设进行检验。结果表明假设基本正确。对２个蛋白酶和抑制剂的应用比较成功。９个配体中的７个有正确的均方根差的趋势。还发现受体结构的柔性较小,说明由于对接面的紧密堆积产生的侧链构象变化很小。根据这些结果,提出一个新的分子对接流程图,即在刚体对     

The relationship between the flexibility of proteins and their conformational states on forming protein-protein complexes with an application to protein-protein docking

We investigate the extent to which the conformational fluctuations of proteins in solution reflect the conformational changes that they undergo when they form binary protein-protein complexes. To do this, we study a set of 41 proteins that form such complexes and whose three-dimensional structures are known, both bound in the complex and unbound. We carry out molecular dynamics simulations of each protein, starting from the unbound structure, and analyze the resulting conformational fluctuations in trajectories of 5 ns in length, comparing with the structure in the complex. It is found that fluctuations take some parts of the molecules into regions of conformational space close to the bound state (or give information about it), but at no point in the simulation does each protein as whole sample the complete bound state. Subsequent use of conformations from a clustered MD ensemble in rigid-body docking is nevertheless partially successful when compared to docking the unbound conformations, as long as the unbound conformations are themselves included with the MD conformations and the whole globally rescored. For one key example where sub-domain motion is present, a ribonuclease inhibitor, principal components analysis of the MD was applied and was also able to produce conformations for docking that gave enhanced results compared to the unbound. The most significant finding is that core interface residues show a tendency to be less mobile (by size of fluctuation or entropy) than the rest of the surface even when the other binding partner is absent, and conversely the peripheral interface residues are more mobile. This surprising result, consistent across up to 40 of the 41 proteins, suggests different roles for these regions in protein recognition and binding, and suggests ways that docking algorithms could be improved by treating these regions differently in the docking process.     

Atomic insight into prion disorder: An intricate detail gained by 0.5 μs molecular dynamics simulation of preventive G127V and deleterious D178V mutation in prion protein

In this study we are looking into two contradicting mutations found in prion protein (PrP) viz G127V and D178V, that are reportedly protective and pathogenic, respectively. Despite significant advances in comprehension of the role of pathogenic mutations, the role of protective mutation in amyloid fold inhibition still lacks a substantial basis. To understand the structural basis of protective mutation, molecular dynamics simulation coupled with protein-protein docking and molecular mechanics/Poisson-Boltzmann surface area analysis was used to understand the instant structural variability brought about by these mutations alone and in combination on PrP and prion-prion complex. Atomic-scale investigations successfully revealed that the binding pattern of prion-prion varies differentially in protective and pathogenic mutations with secondary structure showing distinct contrasting patterns, which could supposedly be a critical factor for differential prion behavior in protective and pathogenic mutations. Considering the reported role of an amyloid fold in prion-prion binding, the contrasting pattern has given us a lead in comprehending the role of these mutations and has been used in this study to look for small molecules that can inhibit amyloid fold for prion-prion interaction in pathogenic mutant carrying PrP.     

Flexible docking using tabu search and an empirical estimate of binding affinity

This article describes the implementation of a new docking approach. The method uses a Tabu search methodology to dock flexibly ligand molecules into rigid receptor structures. It uses an empirical objective function with a small number of physically based terms derived from fitting experimental binding affinities for crystallographic complexes. This means that docking energies produced by the searching algorithm provide direct estimates of the binding affinities of the ligands. The method has been tested on 50 ligand-receptor complexes for which the experimental binding affinity and binding geometry are known. All water molecules are removed from the structures and ligand molecules are minimized in vacuo before docking. The lowest energy geometry produced by the docking protocol is within 1.5 Å root-mean square of the experimental binding mode for 86% of the complexes. The lowest energies produced by the docking are in fair agreement with the known free energies of binding for the ligands. Proteins 33:367–382, 1998. © 1998 Wiley-Liss, Inc.