結(jié)構(gòu)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建及蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的計(jì)算分析.pdf

1、蛋白質(zhì)最重要的兩類生物大分子之一，是生物體幾乎所有活動(dòng)的承擔(dān)者，如生化反應(yīng)的催化酶，呼吸系統(tǒng)中的血紅蛋白，免疫系統(tǒng)中的抗體等等。生物體幾乎所有的活動(dòng)都離不開蛋白質(zhì)。要想在分子水平上解釋生命現(xiàn)象離不開對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究。多數(shù)天然蛋白質(zhì)在生理?xiàng)l件下都會(huì)折疊成穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能在很大程度上取決于其空間結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)象多樣性導(dǎo)致了不同的生物學(xué)功能。所以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究是功能研究和蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也因此越來越得到重

2、視。蛋白質(zhì)種類繁多，結(jié)構(gòu)千差萬別，同時(shí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定實(shí)驗(yàn)是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，消耗資源也大，而且成功率有限。為了解決這個(gè)矛盾，一方面國(guó)際上開展了許多結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃，試圖通過高通量測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在基因組規(guī)模上全面理解蛋白質(zhì)功能，同時(shí)加快結(jié)構(gòu)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的速度，降低單個(gè)結(jié)構(gòu)測(cè)定的成本。另一方面研究人員一直試圖發(fā)展計(jì)算機(jī)模擬的方法來進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，雖然在這方面取得了很大的成績(jī)，但要實(shí)現(xiàn)完全解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的目標(biāo)還需很多的努力。 本論文的

3、工作重點(diǎn)主要是兩方面：一是對(duì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)中靶蛋白篩選和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)建的工作，二是對(duì)分子動(dòng)力學(xué)中增強(qiáng)采樣方法以及小肽中側(cè)鏈效應(yīng)和近鄰效應(yīng)的研究。論文共分為以下三個(gè)部分： 第1章緒論中簡(jiǎn)介了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，介紹了目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定的常用方法，包括實(shí)驗(yàn)測(cè)定(X射線晶體衍射法和核磁共振波譜法)和理論預(yù)測(cè)的方法。理論預(yù)測(cè)的方法可以分為基于知識(shí)的建模預(yù)測(cè)和基于物理模型的從頭預(yù)測(cè)?；谥R(shí)的建模預(yù)測(cè)又可以按照與已知結(jié)構(gòu)模板的序列相似性可

4、以分為比較建模法、折疊識(shí)別法。與實(shí)驗(yàn)測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，理論預(yù)測(cè)的方法具有快速、低成本、高通量的優(yōu)點(diǎn)，可以作為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的一個(gè)有效的補(bǔ)充。本章還簡(jiǎn)單介紹了結(jié)構(gòu)基因組的內(nèi)容、優(yōu)缺點(diǎn)以及當(dāng)前世界范圍內(nèi)開展這項(xiàng)計(jì)劃的大致情況。結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃的主要內(nèi)容就是大規(guī)模、高通量的進(jìn)行基因組規(guī)模上的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定，因此會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，合理的存貯、管理、共享、挖掘這些數(shù)據(jù)也成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)擺在實(shí)驗(yàn)人員面前。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，靶蛋白篩

5、選成為提高實(shí)驗(yàn)成功率和所測(cè)定結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。緒論最后我們花比較多的篇幅介紹了分子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展背景和現(xiàn)狀，分子動(dòng)力學(xué)作為一種基于物理模型的模擬預(yù)測(cè)方法除了可以獲得蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息還可以獲得很多實(shí)驗(yàn)上無法測(cè)定的細(xì)節(jié)信息。分子動(dòng)力學(xué)的基本思路就是用數(shù)值方法求解原子運(yùn)動(dòng)的牛頓方程或薛定諤方程。但是實(shí)際進(jìn)行模擬時(shí)，考慮到體系大小和目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，通常都是采用半經(jīng)驗(yàn)的勢(shì)能函數(shù)，這些勢(shì)能函數(shù)在不同分子力場(chǎng)中雖有差異，但基本

6、上都包含成鍵相互作用(鍵長(zhǎng)伸縮、鍵角彎曲、二面角旋轉(zhuǎn)和彎曲)和非鍵相互作用(靜電相互作用、范德華相互作用)項(xiàng)。這種形式的勢(shì)函數(shù)簡(jiǎn)化了動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算但同時(shí)也限制了其準(zhǔn)確度。因此發(fā)展出很多改進(jìn)方法，如加入氫鍵項(xiàng)、極化效應(yīng)和二面角項(xiàng)修正等。與模擬準(zhǔn)確性一樣，模擬時(shí)間也是制約分子動(dòng)力學(xué)發(fā)展的一個(gè)主要因素。由于傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬的采樣符合玻爾茲曼分布，因此要滿足各態(tài)歷經(jīng)假設(shè)需要很長(zhǎng)的模擬時(shí)間；同時(shí)由于體系中快速運(yùn)動(dòng)的存在限制了積分步長(zhǎng)的大小。

7、延長(zhǎng)模擬時(shí)間的研究也因此可以分為延長(zhǎng)積分步長(zhǎng)和加快體系采樣。延長(zhǎng)積分步長(zhǎng)主要是通過消除體系中的快速運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。加快體系采樣一是可以采用溶劑模型來減少溶劑分子的計(jì)算時(shí)間；二是可以采用非玻爾茲曼分布采樣來加快構(gòu)象空間的搜索。增強(qiáng)采樣的方法經(jīng)過20余年的努力目前發(fā)展的方法主要包括：高溫動(dòng)力學(xué)、放大集合運(yùn)動(dòng)方法、構(gòu)象流動(dòng)法、加速分子動(dòng)力學(xué)、傘形采樣、Tsallis有效勢(shì)能、溫度(哈密頓量)副本交換方法等。第2章中介紹了為人類CD34(+)造血干

8、細(xì)胞/祖細(xì)胞及血液系統(tǒng)疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究進(jìn)行的前期靶蛋白篩選工作和構(gòu)建的一套高效的靶蛋白篩選、標(biāo)注和數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)。首先介紹了該系統(tǒng)的框架、系統(tǒng)需求和功能。這是一個(gè)基于網(wǎng)頁(yè)交互的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。通過用戶交互的方式、參加結(jié)構(gòu)基因組的不同小組可以方便的添加、修改、共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)可以獲取生物信息學(xué)方法預(yù)測(cè)的多種信息。其次介紹靶蛋白的結(jié)構(gòu)和功能標(biāo)注。通過多種生物信息學(xué)方法，我們收集整合了蛋白的各種結(jié)構(gòu)和功能標(biāo)注信息。包括

9、一般信息、物理特性、二級(jí)結(jié)構(gòu)、保守區(qū)域和潛在功能等。最后介紹結(jié)構(gòu)基因組靶蛋白篩選的過程。篩選過程考慮到實(shí)驗(yàn)的可行性和潛在的生物學(xué)意義，我們給出了一種篩選的流程，并對(duì)篩選得到的1823個(gè)靶蛋白按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行了排序。 第3章中介紹了我們獨(dú)立發(fā)展的一種哈密頓副本交換算法和用這種算法進(jìn)行的殘基類型和近鄰相互作用的研究。在這種算法中，以丙氨酸二肽主鏈二面角的自由能曲面經(jīng)過不同強(qiáng)度變形的傘形勢(shì)加在各個(gè)副本得所有主鏈二面角上。采用廣義的加權(quán)直

10、方圖分析來計(jì)算構(gòu)象的自由能面的方法利用了所有交換的副本采樣，包括加上和未加上附加傘形勢(shì)的副本，這極大的降低了構(gòu)象自由能曲面計(jì)算的統(tǒng)計(jì)不確定性(標(biāo)準(zhǔn)差05～1KJ/mol)。我們使用這種基于哈密頓量的副本交換方法研究近鄰殘基類型和構(gòu)象對(duì)主鏈中特定二面角的構(gòu)象平衡的影響，研究的體系包含丙氨酸、苯丙氨酸和頡氨酸的長(zhǎng)度為2～5的多肽，模擬中全部采用顯式溶劑，研究的焦點(diǎn)是主鏈二面角分布受自身殘基類型以及近鄰殘基類型和構(gòu)象的影響。結(jié)果不僅反應(yīng)自身殘

11、基類型效應(yīng)主要為Phe和Val相對(duì)Ala更傾向β構(gòu)象，而且證明了近鄰效應(yīng)與自身殘基類型效應(yīng)大小相當(dāng)。我們發(fā)現(xiàn)N端近鄰主要表現(xiàn)出構(gòu)象效應(yīng)，各種近鄰殘基類型的α構(gòu)象相對(duì)于β構(gòu)象使下游的Ala傾向于β構(gòu)象。C端近鄰正好相反，主要表現(xiàn)出類型效應(yīng)，C端的Val可以顯著的使上游的Ala的構(gòu)象平衡偏向于PⅡ。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示了與蛋白質(zhì)卷曲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有相當(dāng)程度的一致性，證明了這種近鄰殘基的相互作用在小肽和蛋白質(zhì)中具有普遍性。此外我們還報(bào)導(dǎo)了一些