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．     

蛋白质与极性配体复合物的绝对结合自由能计算

介绍了用分子动力学模拟与热力学积分法相结合,模拟蛋白质与配体的绝对结合自由能的方法.通过分子转换法,使蛋白质分子（包括水分子）与配体小分子之间的相互作用逐渐减弱 （或增强）至完全消失（或完全出现）. 运用体约束方法,计算了配体与受体结合后平动、转动自由度的丧失即熵效应所引起的自由能变化.以胰蛋白酶双突变体（D189G/G226D）与极性配体苯甲脒为例,研究了蛋白质活性部位与极性配体的相互作用对结合自由能的影响,该复合物绝对结合自由能的模拟结果(－15.5 kJ/mol)与实验值(－10.5 kJ/mol)相近.     

褐藻光合作用色素蛋白质复合物——研究进展和问题

本文综述了近二十年来褐藻色素蛋白质复合物的研究进展,包括色素蛋白质复合物分离技术、褐藻的光系统Ｉ、光系统ＩＩ及捕光色素蛋白质复合物研究进展。并就褐藻色素蛋白质复合物分离技术中存在的问题、褐藻的特点、褐藻与其它光合生物的色素蛋白质复合物的同源性以及褐藻ＰＳＩ复合物７７Ｋ荧光发射的特点等进行了讨论     

蛋白质-蛋白质界面热点残基预测及其在线工具

蛋白质-蛋白质结合热点是界面中对结合自由能有着显著贡献的一小簇残基。捕捉和揭示这类热点残基可以加深对蛋白质间相互作用机制的理解,为蛋白质工程和药物设计提供指导。但实验技术费时费力且代价昂贵。计算工具可用于辅助和补充实验上的尝试。该文较详细、系统地介绍了蛋白质界面热点的特性、计算预测的策略与技术,并应用实例进一步说明这些方法学的特征;还介绍了界面热点的数据库和一些主要的在线预测工具,旨在为设计、挑选和应用这类工具解决特定问题的研究人员提供指南。     

褐藻光合作用色素_蛋白质复合物——研究进展和问题

本文综述了近二十年来褐藻色素－蛋白质复合物的研究进展,包括色素－蛋白质复合物分离、褐藻的光系统Ⅰ、光系统Ⅱ及捕光色素－蛋白质复合物研究进展。并就藻色素－蛋白质复合物分离技术中存在的问题、褐藻的特点、褐藻与其它不铪 生物的色素－蛋白质复合物的同源性以及褐藻ＰＳＩ复合物７７Ｋ荧光发射的特点等进行了讨论。     

蛋白质相互作用热点残基的预测北大核心CSCD

氨基酸突变扫描实验揭示了在蛋白质相互作用的结合过程中大部分的结合自由能是由极少数热点残基贡献的,通常定义结合自由能变化△△G≥2.0 kcal/mol的蛋白质残基为热点残基。热点残基对蛋白质相互作用具有重要意义。因此,如何有效进行热点残基的预测,仍然是一个研究课题。综合蛋白质氨基酸理化属性的加权疏水性、加权残基接触数、结构属性溶剂可接近面积和残基突出指数等特征,提出利用机器学习支持向量机算法来预测热点残基的方法。所提方法在丙氨酸热力学数据库数据和结合界面数据库选定的数据集上有很好的效果。在一定程度上对以后的研究发展有所帮助。     

等温滴定量热法在蛋白质-配体相互作用中的应用

等温滴定量热法(ITC)近年来迅速发展并广泛应用于分子生物学及其相关领域的研究分子相互作用的生物物理技术,它是在恒定温度下唯一能够直接测量复合物形成过程中的热量变化的方法。它可以简单地通过测量两个溶液相互作用时吸收或放出的热量来提供分子相互作用的重要信息,如结合常数、结合位点数、自由能、焓和熵。综述了ITC的工作原理、技术特点,以及在蛋白质-配体相互作用方面的最新应用和未来的发展方向,表明ITC数据结果的有效性及其在该领域的应用价值。     

光逆境对叶绿体叶绿素蛋白质复合物的影响

研究了强光照射对菠菜叶绿体的叶绿素蛋白质复合物及一些光合特性的影响。实验结果表明,随着强光照射时间的延长,首先,属光系统Ⅱ核心的叶绿素蛋白质复合物的ＣＰａ带明显减少了;进而属ＬＨＣＩＩ的寡聚体和二聚体的带有了不同程度的降低;最后,包括光和Ｉ内的叶绿素蛋白质复合物带大部分被分解,结果还表明,当光逆境还未使叶绿素蛋白质复合物发生明显变化时;代表光系统ＩＩ活性的Ｆｖ／Ｆｏ值及ＤＣＩＰ光还原活性就已明显变     

蛋白质柔性复合物的结构预测

将自洽系综最优化方法（ＳＣＥＯ）推广到主链可变的分子体系,并以此来实现蛋白质复合物结合界面的柔性优化。据此,提出了一种模拟蛋白质“诱导契合”过程的计算方法,来实现蛋白质柔性复合物的结构预测。经过三个蛋白质柔性复合物结构预测的检验,表明这种方法是可行的,并且达到了计算精度和计算速度上的兼顾     

引入显式水分子对接提高蛋白质配体复合物结构的预测精度

在蛋白质复合物界面一般都会存在着一定量的水分子,这些水分子通过空间占据和氢键方式影响蛋白质与配体的位置关系。应用现有的计算机方法研究蛋白质-配体对接时,一般不会显式地考虑水分子的作用。本文显式地将水分子引入蛋白质-配体对接过程,考虑水分子空间占据和氢键能量对复合物对接结构的影响,提出了一种包含水分子的蛋白质-配体对接算法。实验结果表明引入水分子使蛋白质-配体对接质量有明显提高。     

蛋白质结构与功能研究中的分子模拟技术

分子模拟技术为蛋白质的研究提供了一种崭新的手段,在理论上解决了结构预测和功能分析以及蛋白质工程实施方面所面临的难题。它在蛋白质的结构预测和模建工作中占有举足轻重的地位,实现了生物技术与计算机技术的完美结合。本文简要阐述了该技术的基本步骤和工作原理,并以目前应用最广的生物大分子领域的商品化分子模拟软件Accelrys公司基于Linux系统开发的InsightII为例,介绍了相关程序模块的功能和作用,同时结合该技术在蛋白质的结构预测和模建、结构与功能关系分析、分子设计等过程中的开发与应用,加以具体说明和展望。     

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。     

蛋白质合成中的核糖核酸蛋白质复合物

细胞中的RNA和RNA结合蛋白质(RNA-binding proteins,RBPs)相互作用形成核糖核酸蛋白质(ribonucleoprotein,RNP)复合物。RNP复合物分布广泛,功能众多。蛋白质生物合成包括转录及其调控、mRNA加工转运、tRNA传递、翻译及其调控等,是核酸编码的遗传信息流向活性蛋白质的过程。多种RNA分子参与这一过程,有的与对应的RNA结合蛋白质形成RNP复合物。RNP复合物的多样性和重要功能在此得到了最好的体现。该文以其中起核心作用的RNA分子为主线,对蛋白质合成中的RNP复合物进行了综述。     

蛋白质-核酸复合物界面氨基酸与核苷酸偏好性分析

蛋白质-核酸相互作用机制到目前还不是很清楚,尤其是蛋白质与RNA的相互作用。目前,可得到的蛋白质-核酸复合物结构数据不断增多,作者收集了Protein Data Bank数据库中所有的蛋白质-核酸复合物结构数据,对复合物中结合残基和结合核苷酸的偏好性进行了统计分析。发现：1）不同功能的蛋白质-核酸复合物间的结合残基数量存在显著差异;2）在蛋白 质-DNA和蛋白质-RNA复合物界面,碱性氨基酸都是最受欢迎的;3）氨基酸的极性大小及方向在决定它是否与RNA分子进行结合时起到重要的作用,同时发现氨基酸侧链形成的空间位阻会影响氨基酸残基与RNA分子的相互作用;4）随着定义结合残基距离阈值的增大,其氨基酸使用的特异性降低,而受欢迎与不受欢迎的氨基酸种类均没有变化。     

蛋白质-蛋白质对接中打分函数的研究

通过分析蛋白质－蛋白质间的静电、疏水作用和熵效应与相对于晶体结构的蛋白质主链原子的均方根偏差（RMSD）的相关性,定量地考查了它们在蛋白质－蛋白质对接中作为打分函数评价近天然构象的能力。对7个蛋白质复合物体系的分析表明,就水化能而言,原子接触势模型（ACE）优于原子水化参数模型（ASP）,且修正的ACE模型具有更好的评价近天然构象的能力;水化能与静电能结合对评价能力有进一步的提高。最后,我们将静电和修正的ACE水化能结合作为打分函数用于36个蛋白质复合物体系的对接研究,进一步证实了这两种能量项的组合能有效地将近天然结构从分子对接模式中区分出来。     

支持向量机方法预测蛋白质结构中的二硫键

在蛋白质结构预测的研究中,一个重要的问题就是正确预测二硫键的连接,二硫键的准确预测可以减少蛋白质构像的搜索空间,有利于蛋白质3D结构的预测,本文将预测二硫键的连接问题转化成对连接模式的分类问题,并成功地将支持向量机方法引入到预测工作中。通过对半胱氨酸局域序列连接模式的分类预测,可以由蛋白质的一级结构序列预测该蛋白质的二硫键的连接。结果表明蛋白质的二硫键的连接与半胱氨酸局域序列连接模式有重要联系,应用支持向量机方法对蛋白质结构的二硫键预测取得了良好的结果。     

RNA—蛋白质相互作用研究的进展

分析原核生物中RNA与蛋白质的相互作用,给了我们很多的信息和启示。到目前为止,大肠杆菌核糖体是研究最多的RNP复合物,而大肠杆菌中的谷氨酰胺基tRNA合成酶和相关的tRNA是目前唯一制成RNA一蛋白质共结晶,并揭示其结构的RNA一蛋白质复合物。最近在真核生物系统中的研究不仅发现了由RNA-蛋白质结合介导的基因表达调控的机理,而且鉴定出结合RNA的蛋白家族中存在有共同的短段(Common motifs)。本文拟对目前研究的饶有兴趣的5SRNA-结合蛋白复合物以及RNP-致序列进行阐述和讨论。     

DNA聚合酶与引物/模板的相互作用对PCR效率的影响

PCR是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法,引物的优劣直接关系到PCR的特异性与成功与否。传统的PCR引物设计软件基本上忽略了DNA聚合酶与引物/模板的亲和性对PCR效率的影响。为揭示DNA聚合酶与引物/模板的相互作用是否对PCR的效率有影响,通过构建Taq DNA 聚合酶与不同序列引物/模板DNA相互作用的三维结构模型,采用MM/GBSA方法计算复合物的结合自由能,以结合自由能为参数,为人血清白蛋白基因(Human Serum Albumin gene,HSA gene)和结核杆菌pyrF基因(Mycobacterium tuberculosis pyrF gene)设计了PCR引物。PCR实验结果表明,引物的PCR效率与结合自由能相关：引物与聚合酶的结合自由能越低,PCR实验的效率相对越高。这说明DNA聚合酶与引物/模板的相互作用对PCR效率有重要影响。因此,引物/模板DNA与聚合酶的结合自由能可以作为PCR引物设计的新参数。     

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。