模拟蛋白质折叠过程的新算法研究

蛋白质折叠过程模拟是当前蛋白质研究领域的一个难点问题。针对这一问题,提出了一个描述蛋白质折叠过程的算法-拟蛇算法,并且从分子振荡和分子动力学理论两个方面来证明该算法的核心函数是可行和正确的。经过实验总结出所有蛋白质空间结构都可以通过两种类型函数构造出来,提出了描述蛋白质折叠过程模型。与其它蛋白质折叠过程模拟算法的实验结果比较表明,拟蛇算法所构造的空间结构能量值最小、相似度最好。进而说明拟蛇算法和蛋白质折叠过程模型在描述蛋白质折叠过程方面具有明显优势。     

通过分析来自Pyrococcus abyssi的腈水解酶中带电基团位置变化探讨蛋白耐热机制

蛋白含带电侧链基团的氨基酸的位置对蛋白质的热稳定性有很大的影响,目前,往往采用蛋白质结构模型"静态"分析这一影响。本文以1株耐热的腈水解酶作为研究对象,构建并异源表达了该酶,对其酶学性质进行初步分析。利用Discovery Studio对该酶进行同源建模,得到空间结构。将此空间结构利用Gromacs软件在不同温度下进行分子动力学(MD)模拟,使用Macrodox软件计算蛋白质所有带电氨基酸残基的包埋率与溶剂可接触性面积(SA),发现在不同温度下,部分氨基酸带电基团的SA值会发生显著变化。说明通过静态分析并不一定能够得到非常准确的结果,而应进行动态分析。     

鼠抗体OKT3结合位点的结构模拟和改形设计

使用同源建模的方法通过计算机模拟鼠抗体ＯＫＴ３抗原结合位点的空间结构,在结构分析及人和鼠抗体各自保守序列分析的基础上,设计出抗ＣＤ３的改形抗体序列;并进一步模拟改形抗体的结构,理论计算和实验的结果表明改形设计是合理的。     

蛋白质结构比较的微分几何方法

本文提出了一种利用蛋白质主链结构的微分几何描述实现蛋白质结构比较的新方法,即用主链的曲率和扰率刻划蛋白质结构有局部构象,再按动态规划算法实现最佳比较。通过对珠蛋白,天冬氨酸蛋白酶和丝氨酸蛋白酶的多重比较表明这个方法既适用于近缘同源蛋白又适用于近缘同源蛋白又适用于远缘同源蛋白的结构比较。     

耐热碱性磷酸酶(FD-TAP)的结构模型研究

 以大肠杆菌碱性磷酸酶 (BAP)为主要结构模板 ,用计算机同源结构模拟方法构建了耐热碱性磷酸酶 (FD TAP)的三维结构 ,对它们的结构特征进行了分析比较 ,并用Profile 3D和Ramachand ran图等方法分析了结构的合理性 .在此基础上 ,又构建了FD TAP 3个突变体的结构 ,用CHARMM能量计算法研究了FD TAP及其 3个突变体的能量与酶蛋白热稳定性之间的关系 ,得到了与实验完全一致的结果 .结果说明 ,如果氨基酸残基置换使蛋白质分子的总能量降低 ,疏水性增高和柔韧性减小 ,往往使蛋白质的耐热性增加     

分子模拟与微生物、自身免疫交叉识别以及肿瘤免疫治疗

分子模拟是生物界广为存在的一种自然现象。细菌等病原微生物可利用蛋白质序列或结构的相似而模拟宿主细胞某些分子的功能,从而协助其入侵与存活;另一方面,微生物也可因某些蛋白质的同源或相似而致宿主交叉免疫反应,导致自身免疫参与自身免疫疾病的发生,其本质是一种交叉识别。本室及其他研究小组发现可利用不同种属某些肿瘤相关同源分子的异源性激发特异的免疫反应,并因其同源性而交叉反应于宿主分子,从而产生抗肿瘤的自身免疫,亦即通过异种同源分子的策略主动免疫治疗肿瘤。这种模拟还可以在表位肽的水平进行,相信分子模拟的深入研究将有助于揭示进化与分子识别的本质以及自身免疫的规律,从而探索分子模拟在疾病预防与治疗中的应用。     

蛋白质结构预测方法探析

首先介绍了蛋白质结构预测中的三种理论方法,然后对同源蛋白质结构预测中侧链构造和环区构建中涉及到的主要方法进行了探讨,对非同源蛋白质结构预测中空间构象搜寻涉及到的主要算法进行了分析比较。     

同源建模在纤维素酶分子改造中的应用

同源建模技术(homology modeling)给蛋白质的研究带来了新的希望,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.纤维素酶(cellulase)是能水解纤维素生成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称.对纤维素酶的研究目前已经发展到结构功能分析、理性设计等方面.由于实验方法不能胜任全部纤维素酶结构的测定工作,故以计算机为依托的同源建模技术便发挥着重要作用,它在纤维素酶分子改造中的应用主要有:家族同源分析、研究功能氨基酸的作用机理、基于分子结构的理性设计、预测突变体结构和新功能等.随着同源建模技术自身的不断完善,以及分子对接、分子动力学模拟等技术的发展,计算机模拟技术将在酶分子的改造过程中显示出巨大的生命力.     

同源建模关键步骤的研究动态

应用同源建模的蛋白质结构预测已经成为一种快速获得蛋白质结构的技术,这种技术也将成为完成结构基因组计划的有力工具.同源建模是指寻找与目标序列同源而且有实验测定结构的蛋白质作为模板,从而构建目标序列的结构模型的方法.限制这种方法的应用主要是同源建模的关键步骤,即目标与模板之间序列比对和环区建模的准确性.当模型的准确性达到令人信服的程度时,更为精确的计算机辅助药物设计和改造蛋白质,甚至设计全新功能的蛋白质将成为可能.综述了从算法和策略上提高同源建模关键步骤准确性的研究进展.     

人白介素6受体胞外区三维结构的同源模拟

IL-6受体是造血因子超家族成员,其胞外区细胞因子结合结构域（CBD）是受体结合配基和偶联gp130转导IL-6信号的功能域.据预测,IL-6R功能域的β片层折叠模式和人生长激素受体（hGH-R）及CD₄的晶体结构十分相似.应用计算机同源模拟技术,以hGH-R和CD₄的三维结构为模板,模建了hIL-6R功能域（106～322位）的三维结构,初步描述了其结构保守区的构象特征.文章研究模建的hIL-6R三维结构模式为探讨可溶性IL-6R点突变的结果,以及进行三维定量分析IL-6R胞外区功能域的构效关系提供了空间结构基础.     

苏云金芽孢杆菌Ⅳ型抗癌晶体蛋白的分子模建

通过同源建模得到了抗癌晶体蛋白Parasporin-4的初始三维结构,利用分子动力学的方法对初始三维结构进行优化,同时分析了模建分子的结构,最后利用Ramachandran plot,结构匹配等方法对模型进行评价。结果显示得到的Parasporin-4结构是具有三个结构域,蛋白模型分子中的键长、键角以及二面角的分布合理,与模版蛋白的主链a碳原子的均方根差RMSD值为0．547742,在合理范围之内,表明Parasporin-4蛋白模型良好。研究结果为抗癌晶体蛋白的抗癌的分子机制及其定向改造提供了结构信息。     

次生针阔混交林动态经营后空间结构动态分析

本文运用"时空替代"方法和分形理论,探讨了对现有的次生针阔混交林实施"团块状保留母树团"经营后,不同经营时间林分组成树种的空间结构的动态变化。得出随经营时间的推移,乔木层占据空间的总体能力逐渐增强,也趋于稳定,形成多层次的林冠郁闭,同时红松、椴树、水曲柳逐渐占据优势地位;而灌木层与乔木层相反,随经营时间的推移占据空间的能力逐渐减小并趋于稳定,在它们中,经营之初占优势地位的喜光种类逐渐退出,以典型针阔混交林下种类如丁香、山梅花、刺五加逐渐占据优势。反映出该经营方式促进了林分快速地向典型的红松针阔混交林演替的趋势。     

油松毛虫幼虫,蛹种群聚集动态的分析

本文用灰色聚类分析、模糊聚类分析方法研究油松毛虫(Dendrolimustabulaeformis)幼虫、蛹种群的聚集动态。两种聚类分析方法综合分析结果表明:油松毛虫从越冬幼虫至蛹的种群聚集动态过程可分为:高度聚集,中等聚集程度和低聚集度三个阶段,它们各自相应的生物学阶段是:“刚刚上树期”,“上树后重新分布,扩散期(死亡率较高期)”,“取食盛期”以及蛹期,其中前二个阶段为“高聚集度”阶段。     

Extending the New Generation of Structure Predictors to Account for Dynamics and Allostery

Recent progress in structure-prediction methods that rely on deep learning suggests that the atomic structure of almost any protein may soon be predictable directly from its amino acid sequence. This much-awaited revolution was driven by substantial improvements in the reliability of methods for inferring the spatial distances between amino acid pairs from an analysis of homologous sequences. Improved reliability has been accompanied, however, by a reduced ability to detect amino acid relationships that are not due to direct spatial contacts, such as those that arise from protein dynamics or allostery. Given the central importance of dynamics and allostery to protein activity, we argue that an important future advance would extend modeling beyond predicting a single static structure. Here, we briefly review some of the developments that have led to the remarkable recent achievement in structure prediction and speculate what methods and sources of information may be leveraged in the future to develop a modeling framework that addresses protein dynamics and allostery.     

Investigation of the electronic and dynamic properties of sodium and caesium exchanged zeolite by MO and MD simulations

For the pyrochemical reprocessing of spent metallic fuels in molten salt baths it is of importance to investigate the electronic and dynamic properties of the negative elements like Cs in aluminosilicates framework. The molecular orbital simulation has been performed on three types of clusters and 4A-zeolite frameworks with exchangeable alkali-ions containing as significant fission products in order to estimate the geometry optimization, the vibrational frequency factors and the electric densities, etc. These quantum chemical results enable us to conclude that the most stable structure is consistent with the X-ray results. Moreover, the obtained infrared spectrum was reproduced by the experimental results. Furthermore, the molecular dynamics simulation for Na-A and Cs-A zeolites has been carried out at 673 K in order to investigate the dynamics of Na⁺ and Cs⁺ions in Na-A and Cs-A zeolite frameworks. These results revealed that Na I ion in β-cage was more stable than the other Na ions in Na-A zeolite and Cs I ion in α-cage was maintained stability in Cs-A zeolite in consideration of the self-diffusion coefficients.     

枯草杆菌蛋白耐热性改造区域的识别

热稳定性相关区域的识别是蛋白耐热性改造的关键问题之一。本文以枯草杆菌蛋白（SUBTILISIN BPN）为研究对象,通过枯草杆菌蛋白同源家族序列的统计耦联分析,提取枯草杆菌蛋白中的保守残基和强耦联残基,并运用分子动力学模拟方法,提取枯草杆菌蛋白表面候选突变残基,综合上述结果,提出了枯草杆菌蛋白表面耐热性改造关键区域的识别方法,并利用该方法确定了枯草杆菌蛋白表面的10个耐热性改造关键区域。将该结果与已有的耐热性突变实验资料进行了对比,发现其中的7个预测区域与实验结果吻合。结果验证了该方法可以较好地识别蛋白耐热性改造关键区域。     

Dynamic arrangement of ion pairs and individual contributions to the thermal stability of the cofactor-binding domain of glutamate dehydrogenase from Thermotoga maritima

The dynamics of a hyperthermophilic protein fragment in a water environment, as studied by performing molecular dynamics (MD) simulations at various temperatures, is compared to the dynamical behavior of a homologous mesophilic protein simulated under identical conditions. The effects on the stability of the spatial arrangement and mobility of the charged residues in solution were quantified by calculating free energy changes upon salt bridge formation in these proteins. Electrostatic free energy terms derived from a thermodynamic cycle were obtained by solving the linearized Poisson-Boltzmann equation for a series of protein conformations generated by MD simulations and placed subsequently in a continuum solvent medium. Our results show that the ion pairs are electrostatically stabilizing in most of the cases, but their individual contributions vary significantly. The greater contribution of the charged residues to the stability of the hyperthermophilic protein as compared with the mesophilic counterpart was evidenced only by the calculations that included conformations sampled at 343 and 373 K. The "dynamic" structure of the hyperthermophilic protein fragment simulated at elevated temperatures reveals an optimum placement of the ionizable residues within the protein structure as well as the role of their cooperative interactions in promoting thermal stability. The thermodynamic properties such as electrostatic free energy differences, configurational entropies, and specific heat capacities calculated in the dynamic context of the protein structure provided new insight into the mechanism of protein thermostabilization.     

E. COLI RNASE HI AND THE PHOSPHONATE-DNA/RNA HYBRID: MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS

A model for the complex between E. coli RNase HI and the DNA/RNA hybrid (previously refined by molecular dynamics simulations) was used to determine the impact of the internucleotide linkage modifications (either 3′–O–CH₂–P–O–5′ or 3′–O–P–CH₂–O–5′) on the ability of the modified-DNA/RNA hybrid to create a complex with the protein. Modified internucleotide linkages were incorporated systematically at different positions close to the 3′-end of the DNA strand to interfere with the DNA binding site of RNase H. Altogether, six trajectories were produced (length 1.5). Mutual hydrogen bonds connecting both strands of the nucleic acids hybrid, DNA with RNase H, RNA with RNase H, and the scissile bond with the Mg⁺⁺ · 4H₂O chelate complex (bound in the active site) were analyzed in detail. Many residues were involved in binding of the DNA (Arg88, Asn84, Trp85, Trp104, Tyr73, Lys99, Asn100, Thr43, and Asn16) and RNA (Gln76, Gln72, Tyr73, Lys122, Glu48, Asn44, and Cys13) strand to the substrate-binding site of the RNase H enzyme. The most remarkable disturbance of the hydrogen bonding net was observed for structures with modified internucleotide linkages positioned in a way to interact with the Trp104, Tyr73, Lys99, and Asn100 residues (situated in the middle of the DNA binding site, where a cluster of Trp residues forms a rigid core of the protein structure).     

珍稀濒危植物桫椤种群结构与动态研究

采用空间序列代替时间变化的方法,对7个地段中的桫椤种群大小结构进行分析,运用C、K、m^*、m^*/m和Iδ5种聚集度指标测定不同地段内桫椤种群的空间分布格局及其动态,并根据植株个体点位图,考察桫椤种群在不同取样尺度上的空间分布格局.结果表明,不同地段中的桫椤种群结构存在增长型、稳定型、成熟型和衰退型4种类型;不同地段中的桫椤种群空间分布格局有所差异,表现为集群分布或随机分布;在桫椤种群生长过程中,分布格局从集群型向随机型转变;种群扩散型指数Iδ随取样尺度的增大而减小.     

嗜温冷休克蛋白力致去折叠研究

嗜温冷休克蛋白拥有一个由五个β股形成的反平行β桶结构,目前已被用于蛋白质去折叠的研究。当使用机械力对嗜温冷休克蛋白进行拉伸研究时,发现嗜温冷休克蛋白的去折叠过程具有明显的中间态。在常速和常力两种情况下对嗜温冷休克蛋白进行拉伸分子动力学模拟,发现其在两种情况下具有相同的去折叠次序,即C端β片层首先去折叠,随后N端β片层去折叠;同时这两种模拟都表现出明确的中间态。研究结果表明,嗜温冷休克蛋白抵抗外力作用除了依赖链间氢键外,分子内的静电相互作用也发挥着重要的作用。