蚂蚁群落优化算法在蛋白质折叠二维亲-疏水格点模型中的应用

氨基酸的亲疏水格点模型是研究蛋白质折叠的一种重要的简化模型,其优化问题是一个非确定型的多项式问题。采用蚂蚁群落优化算法对这一问题进行了研究,对测试数据的计算结果表明,在一定规模下,此算法能够有效地获得亲-疏水格点模型的最优解,其效率优于传统的Monte Carlo仿真等方法。     

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。     

基于HP模型的蛋白质折叠问题的研究

基于蛋白质二维HP模型提出改进的遗传算法对真实蛋白质进行计算机折叠模拟。结果显示疏水能量函数最小值的蛋白质构象对应含疏水核心的稳定结构,疏水作用在蛋白质折叠中起主要作用。研究表明二维HP模型在蛋白质折叠研究中是可行的和有效的并为进一步揭示蛋白质折叠机理提供重要参考信息。     

基于HNP三态模型及相对熵方法的蛋白质折叠研究

把20种氨基酸简化为3类:疏水氨基酸(hydrophobic,H)、亲水氨基酸(hydrophilic,P)及中性氨基酸(neutral,N),每个氨基酸简化为一个点,用其C!原子来代替.采用非格点模型,以相对熵作为优化函数,进行蛋白质三维结构预测.为了与基于相对熵方法的蛋白质设计工作进行统一,采用了新的接触强度函数.选用蛋白质数据库中的天然蛋白质作为测试靶蛋白,结果表明,采用该模型和方法取得了较好的结果,预测结构相对于天然结构的均方根偏差在0.30～0.70nm之间.该工作为基于相对熵及HNP模型的蛋白质设计研究打下了基础.     

二级结构形成：蛋白质折叠起始过程的框架模型

框架模型认为二级结构形成是蛋白质起始过程的结构基础.文章介绍蛋白质同源片段的溶液构象及其构象研究法和多肽二级结构的从头设计,并综述这些研究成果应用于折叠起始过程的理论模型和蛋白质折叠起始过程的最新研究进展.     

对预测蛋白质结构的拟物算法的分析和改进

对预测蛋白质空间结构的拟物算法的有效性进行理论分析,证明用该拟物算法求得合法的结构存在较大的随机性;给出折叠结构发生冲突的判断条件和提高拟物算法有效性的一些修正方案。     

利用粒子群算法在菱形网格上预测蛋白质结构

本文在菱形网格上研究讨论了二维HP模型。首先,将蛋白质结构预测问题转化成一个数学问题,并简化成氨基酸序列中每个氨基酸与网格格点的匹配问题。为了解决这个数学问题,我们改进并扩展了经典的粒子群算法。为了验证算法和模型的有效性,我们对一些典型的算例进行数值模拟。通过与方格网上得到的蛋白质构象进行比较,菱形网上的蛋白质构象更自然,更接近真实。我们进一步比较了菱形网格上的紧致构象和非紧致构象。结果显示我们的模型和算法在菱形网格上预测氨基酸序列的蛋白质结构是有效的有意义的。     

用于蛋白质结构预测的一种改进模拟退火算法的研究

将一种模拟退火算法的改进方法——作用遗传交叉算子的并行模拟退火算法PSA／GC,用于蛋白质结构预测的能量最小化问题,通过对三个蛋白质的实际测试,证实了PSA／GC比SA和PSA具有更强的寻优能力,能得到能量值更低的构象。通过对PSA／GC的交叉间隔和交叉手法进行了探讨,得到了有益的结论。     

一种新的基于蒙特卡罗模拟和光子传输模型的图像分割算法

本文以蒙特卡罗模拟方法为基础,结合组织光学的光子传输模型,提出了一种新的图像分割算法,该算法将复杂的图像分割问题简化为大量简单的光子传输随机实验,通过分析传输规律来获取目标区域.在随后的实验中,结合细胞核提取这一问题建立了一个简单的光学传输模型,并依据此模型分别对人造图和实际图进行了分割.人造图的分割结果表明了该算法的可行性,说明了该算法的一些优点;而实际图的分割结果则反映了该算法的不足之处,文章针对其中存在的问题和算法待改进之处进行了分析.     

一种新的无标度网络构建方法及其在基因表达谱模拟上的应用

本文提出一种新的基于重连接方法的无标度网络构建算法．根据重连接方法新节点的调控节点会被重选,重连接概率取决于幂率分布模型参数gamma．用本文算法构建的网络通过微分方程模型来模拟基因表达谱数据,所用的优化算法为GA与PSO．候选节点的选择可以根据已有节点的连接数决定．实验的网络可以用log-log图,模拟的基因表达谱也用微分方程模型来验证效果．每个连接的正确性将会通过实验验证,完整的程序可以通过我们的官方网站获得：http://ccst.jlu.edu.cn/CSBG/ourown/.     

基于格子模型的蛋白质设计方法

提出一个简单有效的蛋白质设计方法,这一方法完全基于物理学原理. 与同类工作相比,该方法在很大程度上可节省对序列空间进行的搜索,是对同类工作的简化与发展. 对三个平面格子模型进行的检验表明该方法是成功的. 该方法可进一步用于真实蛋白质的三维非格子模型.     

蛋白质折迭的不可逆热力学理论及蛋白质动态热力学结构(英)

在机械力学及热力学基础上阐述蛋白质的各种物理性质是从物理学角度理解生物学的基础性工作.详细讨论了蛋白质折迭的不可逆热力学理论,蛋白质动态热力学结构理论.理论推断蛋白质动态热力学变化是一切生物学状态变化的基本热力学状态单位并作为分子生物学变化的分子开关.利用此理论解释了蛋白质的物理学性质及麻醉药的生物物理学机制.     

The Proteome Folding Problem and Cellular Proteostasis

Stunning advances have been achieved in addressing the protein folding problem, providing deeper understanding of the mechanisms by which proteins navigate energy landscapes to reach their native states and enabling powerful algorithms to connect sequence to structure. However, the realities of the in vivo protein folding problem remain a challenge to reckon with. Here, we discuss the concept of the “proteome folding problem”—the problem of how organisms build and maintain a functional proteome—by admitting that folding energy landscapes are characterized by many misfolded states and that cells must deploy a network of chaperones and degradation enzymes to minimize deleterious impacts of these off-pathway species. The resulting proteostasis network is an inextricable part of in vivo protein folding and must be understood in detail if we are to solve the proteome folding problem. We discuss how the development of computational models for the proteostasis network’s actions and the relationship to the biophysical properties of the proteome has begun to offer new insights and capabilities.     

Scaling of Folding Properties in Go Models of Proteins

Insights about scaling of folding properties of proteins are obtained bystudying folding in heteropolymers described by Go-like Hamiltonians. Bothlattice and continuum space models are considered. In the latter case, themonomer-monomer interactions correspond to the Lennard-Jones potential.Several statistical ensembles of the two- and three-dimensional targetnative conformations are considered. Among them are maximally compactconformations which are confined to a lattice and those which are obtainedeither through quenching or annealing of homopolymers to their compactlocal energy minima. Characteristic folding times are found to grow aspower laws with the system size. The corresponding exponents are notuniversal. The size related deterioration of foldability is found to beconsistent with the scaling behavior of the characteristic temperatures:asymptotically, the folding temperature becomes much lower than thetemperature at which glassy kinetics become important. The helicalconformations are found to have the lowest overall scaling exponent andthe best foldability among the classes of conformations studied. Thescaling properties of the Go-like models of the protein conformationsstored in the Protein Data Bank suggest that proteins are not optimizedkinetically.     

从氨基酸序列预测蛋白质折叠速率

蛋白质折叠速率预测是当今生物物理学最具挑战性的课题之一．近年来,许多科研工作者开展了大量的研究工作来探索折叠速率的决定因素,许多参数和方法被相继提出．但氨基酸残基间的相互作用、氨基酸的序列顺序等信息对折叠速率的影响从未被提及．采用伪氨基酸组成的方法提取氨基酸的序列顺序信息,利用蒙特卡洛方法选择最佳特征因子,建立线性回归模型进行折叠速率预测．该方法能在不需要任何(显示)结构信息的情况下,直接从蛋白质的氨基酸序列出发对折叠速率进行预测．在Jackknife交互检验方法的验证下,对含有99个蛋白质的数据集,发现折叠速率的预测值与实验值有很好的相关性,相关系数能达到0.81,预测误差仅为2.54．这一精度明显优于其他基于序列的方法,充分说明蛋白质的序列顺序信息是影响蛋白质折叠速率的重要因素．     

Protein translocation through a tunnel induces changes in folding kinetics: a lattice model study

Compaction of a nascent polypeptide chain inside the ribosomal exit tunnel, before it leaves the ribosome, has been proposed to accelerate the folding of newly synthesized proteins following their release from the ribosome. Thus, we used Kinetic Monte Carlo simulations of a minimalist on-lattice model to explore the effect that polypeptide translocation through a variety of channels has on protein folding kinetics. Our results demonstrate that tunnel confinement promotes faster folding of a well-designed protein relative to its folding in free space by displacing the unfolded state towards more compact structures that are closer to the transition state. Since the tunnel only forbids rarely visited, extended configurations, it has little effect on a "poorly designed" protein whose unfolded state is largely composed of low-energy, compact, misfolded configurations. The beneficial effect of the tunnel depends on its width; for example, a too-narrow tunnel enforces unfolded states with limited or no access to the transition state, while a too-wide tunnel has no effect on the unfolded state entropy. We speculate that such effects are likely to play an important role in the folding of some proteins or protein domains in the cellular environment and might dictate whether a protein folds co-translationally or post-translationally.     

mRNA环结构对蛋白质折叠速率的影响

前期的相关研究发现mRNA二级结构中存在对蛋白质折叠速率的重要影响因素.而mRNA二级结构中普遍存在着各种复杂的环结构,这些环结构是否对蛋白质折叠速率也有重要的影响呢?不同的环结构对蛋白质折叠速率的影响是否相同呢?基于此想法,建立了一个包含mRNA内部环、发夹环、膨胀环和多分支环等环结构信息和相应蛋白质折叠速率的数据库.对于数据库中的每一个蛋白质,计算了mRNA二级结构中各种环结构碱基含量、配对碱基含量及单链碱基含量等参量,分析了各参量与相应蛋白质折叠速率的相关性.结果显示,各种环结构碱基含量与蛋白质折叠速率均呈极显著或显著正相关.说明mRNA环结构对蛋白质折叠速率有重要的影响.进一步,把蛋白质按照不同折叠类型或不同二级结构类型分组后,对每一组蛋白质重复上述的分析工作.结果表明,对不同类蛋白质,mRNA的各种环结构对其相应蛋白质折叠速率的影响存在着显著差异.上述研究将为进一步开展有关mRNA和蛋白质折叠速率的研究奠定理论基础.     

Programmed Trade-offs in Protein Folding Networks

1. Download : Download high-res image (122KB)
2. Download : Download full-size image