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。     

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-蛋白质分子对接方法研究进展

蛋白质分子间相互作用与识别是21世纪生命科学研究的前沿和热点.分子对接方法是研究这一课题有效的计算机模拟手段.通常,蛋白质-蛋白质分子对接包括四个阶段:搜索受体与配体分子间的结合模式,过滤对接结构以排除不合理的结合模式,优化结构,用精细的打分函数评价、排序对接模式并挑选近天然构象.结合国内外研究蛋白质-蛋白质分子对接方法进展和本研究小组的工作,对以上四个环节做了详细的综述.另外,还分析了目前存在的主要问题,并提出对未来工作的展望.     

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个蛋白酶与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,即在刚体对接后加入对接面中氨基酸残基的侧链构象预测。对一个蛋白酶与抑制剂的复合结构的应用表明对接中的正确解的信号与噪音比相对错误解增加了。     

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     

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。     

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。     

基于pose共享的蛋白质-配体构象并行搜索算法

RosettaLigand使用多次启动对接协议的方式对蛋白质-配体复合物构象空间进行采样,在串行或并行的构象搜索实例之间并不共享采样信息。因此并行对接与串行对接相比仅仅是增加了对接的速度,并不能改善对接的性能。我们对Rosetta 3.4版中的RosettaLigand算法进行了修改,在并行的对接实例之间共享采样信息,以实现多个对接实例协同优化采样进程。在一个包含11个目标的测试集合上进行的测试表明,共享采样信息在大多数对接实验中显著地提高了近天然构象在候选结构集合中的比例,同时还降低了整个候选结构集合的平均能量。     

蛋白质折叠、动力学以及蛋白质-配体结合的物理化学基础

蛋白质是生物体的重要组成部分并参与细胞内几乎所有的生物学过程.随着越来越多物种基因组序列的测定,准确理解基因产物的功能并探索蛋白质功能多样性的原因,已经成为当前的研究热点.为了研究蛋白质的功能,已有大量蛋白质的静态三维结构被测定.但是,蛋白功能最终受其动力学行为所控制,这包括折叠过程、构象波动、分子运动以及蛋白质-配体相互作用等.基于自由能图谱理论,本文深入讨论了蛋白质动力学的底层物理化学机制,并回答了以下问题:蛋白质为什么能够折叠、以及如何折叠成其天然三维结构?为什么蛋白质的动力学特征是固有的?其动力学行为如何控制蛋白质的功能?讨论结果将有助于后基因组时代生命科学研究中蛋白质结构-功能关系的理解.     

G蛋白偶联受体的研究进展

G蛋白偶联受体（GPCRs）,是体内最大的蛋白质超家族。GPCRs的基本结构巳清楚,但高分辨率的三维结构还未得到。根据结构的同源性,GPCRs主要分为A、B、C3族。GPCRs配体的多样性决定配体结合域的多样性。受体分子内相互作用力的破坏,质子化,构象变化,与G蛋白的偶联以及受体二聚化参与了GPCRs的活化过程。GPCRs的活化模式有3种;二态模式、多态模式和顺序结合的构象选择模式。     

HIV-1跨膜蛋白gp41与N-取代吡咯衍生物的结合模式研究

采用分子对接,分子动力学(MD)模拟和分子力学/泊松-波尔兹曼溶剂可有面积方法与分子力学/广义伯恩溶剂可及面积方法(MM-PBSA/MM-GBSA),预测两种N-取代吡咯衍生物与HIV-1 跨膜蛋白gp41疏水口袋的结合模式与作用机理．分子对接采用多种受体构象,并从结果中选取几种可能的结合模式进行MD 模拟,然后通过MM-PBSA计算结合能的方法识别最优的结合模式. MM-PBSA计算结果表明,范德华相互作用是结合的主要驱动力,而极性相互作用决定了配体在结合过程中的取向．进一步的结合能分解显示,配体的羧基与gp41残基Arg579的静电相互作用对结合有重要贡献．上述工作为进一步优化N-取代吡咯衍生物类的HIV-1融合抑制剂建立了良好的理论基础．     

一种基于SVR的分辨近天然G蛋白耦联受体—配体构象的方法

蛋白质小分子对接的难点之一是从生成的大量候选结构中挑选出近天然构象。本文使用了一种基于SVR的方法来挑选RosettaLigand生成的GPCR—配体decoy构象中的近天然构象。首先,对已有数据训练得到一个SVR模型,预测decoy构象的LRMSD,然后依此挑选近天然构象。最终,比较了本文方法和RosettaLigand方法挑选出的近天然构象decoy的质量,结果优于RosettaLigand方法,结果表明了本文方法能够有效地挑选出近天然构象。     

利用回归模型筛选出近天然的抗原-抗体对接模拟结构

在抗原-抗体分子对接模拟所生成的大量计算生成构象中筛选出近天然结构,即接近真实情况的抗原-抗体结合模式。借鉴QSAR原理,定义抗原-抗体接触面描述符并利用Discovery Studio 4.5软件平台计算出各对接模拟构象的接触面描述符和能量参数。构造训练集数据进行回归分析,建立预测对接模拟构象是否是近天然结构的数学模型。通过测试集和实际应用情况检验该数学模型。通过回归分析所建立的数学模型能够在成百上千的抗原-抗体对接模拟构象中有效筛选出其中的近天然结构,在测试集验证和4G7抗体结合模式预测应用中具有良好的表现,验证了该数学模型的有效性和实用性。经验性的抗原-抗体接触面特征如氢键密度、氨基酸对偏好性指数等以及能量参数能够共同有效表征近天然结构,所建立的数学模型有效增强了通过分子对接预测抗原-抗体结合模式的可行性。     

蛋白质- 配体相互作用信息数据库研究进展

研究蛋白质和配体相互作用的结构和亲和力,不仅有助于了解蛋白质的功能,而且对药物研发以及药物作用机制的研究,也具有十 分重要的意义。目前,人们通过人工检索和半自动检索的方式,从文献和蛋白质数据库（Protein Data Bank,PDB）中获得了许多蛋白质- 配体亲和力信息和生物相关配体信息,并构建了许多蛋白质-配体相互作用的信息数据库。对3 个蛋白质-配体亲和力数据库和6 个蛋白质 晶体结构-配体生物相关性数据库进行介绍,并对其主要应用进行简述,希望能为实现高效准确地筛选和设计药物提供一定的帮助。     

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．     

基于氨基酸组分和位点保守信息识别蛋白质HEME结合残基

血红素是一种重要的、常用的配体,在电子传递、催化、信号转导和基因表达等方面发挥着重要作用,准确预测蛋白质与血红素相互作用的结合残基是结构生物信息学的主要挑战之一。本文下载整理了Biolip数据库中HEME配体与蛋白质结合的信息,统计分析了结合残基和非结合残基的氨基酸组分和位点保守性信息并将其作为预测特征参数,用Fisher-PSSM判别法识别HEME结合残基,计算结果表明优化特征参数的Fisher-PSSM判别法得到了较好的预测结果。     

多态性蛋白Mad2与其配体Cdc20121-138的相互作用研究

多态性蛋白Mad2是有丝分裂纺锤体检测点(SAC)的关键蛋白,也是多态性蛋白质家族中研究最广泛的成员之一.Mad2有两种不同的天然构象:O-Mad2和C-Mad2.Mad2构象间的转变及其与配体Cdc20间的相互作用对SAC发挥其生物学功能至关重要.本文利用荧光各向异性技术对O-Mad2和C-Mad2与配体TAMRA-Cdc20~(121-138)间相互作用的热力学及动力学过程进行了系统表征.结果表明:在无盐和低盐溶液(100 mmol/L NaCl)中,Mad2两种构象与Cdc20~(121-138)的平衡解离常数(K_D)均在10~(-6) mol/L,但C-Mad2与Cdc20~(121-138)结合的K_D值约为O-Mad2的1/5;在高盐(300 mmol/L NaCl)溶液中,Mad2两种构象与TAMRA-Cdc20~(121-138)结合的K_D值无明显差别.动力学实验结果显示,在同一种缓冲液中Mad2两种构象与Cdc20~(121-138)相互作用的解离速率常数k_d没有显著差别,而C-Mad2与Cdc20~(121-138)的结合速率常数k_a却比O-Mad2高一个数量级,这表明C-Mad2与Cdc20~(121-138)不仅结合力更强,且结合速率要快很多.Mad2与Cdc20~(121-138)突变体间的相互作用以及离子强度对二者相互作用的影响结果提示,Mad2和Cdc20间的相互作用不是通过静电相互作用,而可能是通过疏水相互作用来实现的.本研究为揭示多态性蛋白Mad2的构象转变机理及其在有丝分裂过程中的作用机制提供了重要的实验基础.     

分子伴侣(MolecularChaperones)与蛋白质的折叠

尽管几百种蛋白质的三维结构已研究得非常清楚,但这些蛋白质折叠成其天然构象的机制与途径仍有待于进一步的研究。有关于蛋白质折叠的一些体外实验确定,决定一个蛋白质三维结构的信息存在于蛋白质的多肽链之中。在体外,一定条件下,在没有任何其他蛋白质存更多还原在下,一些酶和蛋白质可以自我装配成天然构象[1,2].     

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。     

DNA超螺旋构象的理论研究

本文总结了近年来描述DNA超螺旋结构的基本关系式和各种参量,综述了计算超螺旋的几何参数,定量分析DNA分子与蛋白质结合时的特殊构象,以及基于物理模型解释和预见精确的超螺旋空间构象等方面的理论研究进展。