蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)預測.pdf

1、隨著人類基因組測序計劃的完成，蛋白質(zhì)組學已成為后基因組時代的研究前沿和熱點領域。其中，蛋白質(zhì)與配體相互作用以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)-功能關系是蛋白質(zhì)組學研究的重要內(nèi)容。蛋白質(zhì)受體與配體間相互作用與識別機制的研究對于揭示蛋白質(zhì)分子的生物學功能和有效預測蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)等具有重要的意義，同時.為探討重大疾病產(chǎn)生的分子機理、合理的藥物開發(fā)、新型功能蛋白質(zhì)設計等提供重要的理論基礎。
　　 由于實驗測定蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)存在較大困難，近年來，隨著計算

2、機處理能力的不斷增強以及理論模擬方法的迅速發(fā)展和廣泛應用，計算機分子模擬方法已經(jīng)成為預測蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互結(jié)合形成的復合物結(jié)構(gòu)的重要手段。然而，如何有效解決復合物結(jié)構(gòu)預測中的結(jié)合位點預測、復合物構(gòu)象采集、最終結(jié)構(gòu)挑選等都是當前復合物結(jié)構(gòu)預測的困難問題。本論文針對這些問題，通過參加CAPRI(Critical Assessment of PRedicted Interactions)競賽和對蛋白質(zhì)復合物結(jié)合位點的特征分析，提出了兩種分別針

3、對蛋白質(zhì)單體和蛋白質(zhì)受體與配體之間匹配的結(jié)合位點預測方法，還發(fā)展了一套有效的復合物構(gòu)象搜索和過濾算法，在這些研究的基礎上，開發(fā)了集成分子對接方法HoDock(Holistic Dock)。在CAPRI蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)盲測和已知復合物結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集中，我們的方法和程序取得了滿意的結(jié)果，驗證了方法的有效性。論文內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
　　 (1)蛋白質(zhì)結(jié)合位點的特性分析和預測方法
　　 蛋白質(zhì)結(jié)合位點的特征分析和正確預測對

4、提高復合物結(jié)構(gòu)預測方法的效率至關重要。通過對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫PDB(Protein Data Bank)中現(xiàn)有蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)的分析，我們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)單體結(jié)合位點的主鏈氫鍵的溶劑化特性對它參與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用有重要作用，如果蛋白質(zhì)單體表面殘基參與形成主鏈氫鍵，并且接觸水分子個數(shù)大于4個時，這種殘基傾向于參與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。進一步，我們利用成簇算法，把具有這些特征的表面殘基劃分為緊密的殘基塊，發(fā)現(xiàn)塊內(nèi)的殘基個數(shù)越多，這種殘基塊

5、越容易出現(xiàn)在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物界面上。
　　 利用蛋白質(zhì)結(jié)合界面殘基的這種特性，通過尋找滿足上述特征的表面殘基塊，我們建立了一種有效的結(jié)合位點預測方法BHSsite(Backbone Hbond Solvation site)。該方法在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物數(shù)據(jù)庫Benchmark2.0的84個復合物上進行了驗證，特別地，對于可通過多個不同結(jié)合部位參與復合物形成的蛋白質(zhì)單體，這種方法很有效。在CAPRI體系T09的復合物結(jié)構(gòu)預測

6、中，預測給出的三個結(jié)合部位與復合物晶體結(jié)構(gòu)完全一致。上述研究有助于進一步了解溶劑化效應在蛋白質(zhì)復合物形成中的重要影響，并為合理的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設計提供基礎。
　　 在復合物結(jié)構(gòu)預測中，僅僅知道單體的結(jié)合位點還不夠，需要進一步探索兩個單體之間的界面匹配關系。通過分析蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫Benchmark3.0中的78個雙鏈和30個多鏈復合物結(jié)構(gòu)，利用一種新穎的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊化方法，發(fā)現(xiàn)在蛋白質(zhì)復合物界面處存在一種特殊的殘基模

7、塊。這種模塊擁有兩種特性，模塊中殘基之間的接觸密度很大，而且整個模塊的溶劑可及表面積也很大。根據(jù)這一特征，我們提出了一個新的參數(shù)PAMA(Product of the solvent accessible Area Multiplies the contact Area)，它等于模塊中殘基的接觸面積Q和溶劑可及表面積A的乘積，并用PAMA來預測受體跟配體的匹配。研究發(fā)現(xiàn)PAMA值越大，模塊越容易出現(xiàn)在復合物界面上。這種結(jié)合位點預測方法被

8、制作成高效的網(wǎng)絡服務器（http://bioinformatics.bjut.edu.cn/pama/），免費提供給學術(shù)用戶使用。
　　 基于PAMA參數(shù)的預測方法相對于以往的結(jié)合位點預測方法的新穎之處在于，該方法有效地考慮了蛋白質(zhì)內(nèi)部殘基對蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用以及復合物結(jié)構(gòu)形成的影響。上述研究有助于我們進一步了解蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的機理以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互識別的特異性和親和力的結(jié)構(gòu)基礎。
　　 (2)復合物構(gòu)象

9、搜索及過濾方法的改進
　　 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)預測方法通常分為兩步，即構(gòu)象采樣和打分排序。在構(gòu)象采樣中需要在盡量短的時間里搜索到近天然結(jié)構(gòu)，因此復合物結(jié)構(gòu)預測研究的一個重要問題是建立快速有效的搜索算法。本論文提出了一種新的“過濾加強”采樣方法，并將其應用到我們的集成復合物構(gòu)象預測算法中以提高構(gòu)象采樣的效率。過濾方法是基于對天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中被多于9個疏水基團所包裹的主鏈氫鍵進行統(tǒng)計的結(jié)果，這些疏水基團能夠使得氫鍵主鏈免受水分

10、子的侵擾，所以這樣的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)就穩(wěn)定。如果復合物結(jié)構(gòu)預測中采集到的構(gòu)象界面處的主鏈氫鍵暴露在水溶液中，而不能很好的被包裹起來，那么這種結(jié)構(gòu)就不是近天然結(jié)構(gòu)，所以被提早刪除掉，以節(jié)省結(jié)構(gòu)優(yōu)化、打分、成簇等的寶貴時間，能夠采集到更多近天然結(jié)構(gòu)，提高采樣效率。
　　 為了驗證我們所提出的過濾方法的有效性，在經(jīng)過CAPRI盲測后，我們將“過濾加強”的采樣方法應用到比較容易的目標體系T12和比較困難的目標體系T20和T21上，發(fā)現(xiàn)預測結(jié)果

11、都得到了提高，配體的最小均方根偏差減小，同時，近天然結(jié)構(gòu)數(shù)量增加。對于T12，改進前的配體均方根偏差是0.94nm，改進后的配體均方根偏差是0.12nm，達到了晶體結(jié)構(gòu)的實驗準確程度范圍。
　　 (3)集成分子對接方法
　　 在上述研究的基礎上，我們開發(fā)了一套集成分子對接方法HoDock(HolisticDock)。該方法把結(jié)合位點預測結(jié)果加入到分子對接程序中，在構(gòu)象的過濾中，把我們提出的“過濾加強”方法整合到該程序包中

12、。我們的集成分子對接方法主要包括以下四步：1）預測結(jié)合位點關鍵殘基，2）通過位置約束對接程序生成備選的復合物結(jié)構(gòu)，3）打分和成簇，4）挑選最終復合物結(jié)構(gòu)。
　　 在HoDock方法中，整合了我們所提出的結(jié)合位點預測方法和構(gòu)象過濾方法，減少構(gòu)象空間的搜索范圍并過濾掉不合理結(jié)構(gòu)；使用基于網(wǎng)絡的組合打分函數(shù)HPNCscore，對復合物進行打分；結(jié)合實驗信息和理論預測的位點信息，挑選出最有可能的復合物構(gòu)象。在最近CAPRI對接比賽中的T