蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè).pdf

1、隨著人類(lèi)基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，蛋白質(zhì)組學(xué)已成為后基因組時(shí)代的研究前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)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(guān)系是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要內(nèi)容。蛋白質(zhì)受體與配體間相互作用與識(shí)別機(jī)制的研究對(duì)于揭示蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)功能和有效預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)等具有重要的意義，同時(shí).為探討重大疾病產(chǎn)生的分子機(jī)理、合理的藥物開(kāi)發(fā)、新型功能蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)等提供重要的理論基礎(chǔ)。
　　 由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)存在較大困難，近年來(lái)，隨著計(jì)算

2、機(jī)處理能力的不斷增強(qiáng)以及理論模擬方法的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)分子模擬方法已經(jīng)成為預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互結(jié)合形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)的重要手段。然而，如何有效解決復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中的結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)、復(fù)合物構(gòu)象采集、最終結(jié)構(gòu)挑選等都是當(dāng)前復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的困難問(wèn)題。本論文針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)參加CAPRI(Critical Assessment of PRedicted Interactions)競(jìng)賽和對(duì)蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)合位點(diǎn)的特征分析，提出了兩種分別針

3、對(duì)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(diǎn)預(yù)測(cè)方法，還發(fā)展了一套有效的復(fù)合物構(gòu)象搜索和過(guò)濾算法，在這些研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集成分子對(duì)接方法HoDock(Holistic Dock)。在CAPRI蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)盲測(cè)和已知復(fù)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(mǎn)意的結(jié)果，驗(yàn)證了方法的有效性。論文內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的特性分析和預(yù)測(cè)方法
　　 蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的特征分析和正確預(yù)測(cè)對(duì)

4、提高復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法的效率至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB(Protein Data Bank)中現(xiàn)有蛋白質(zhì)復(fù)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(diǎn)的主鏈氫鍵的溶劑化特性對(duì)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(gè)數(shù)大于4個(gè)時(shí)，這種殘基傾向于參與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。進(jìn)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(gè)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(fù)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(guò)尋找滿(mǎn)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(diǎn)預(yù)測(cè)方法BHSsite(Backbone Hbond Solvation site)。該方法在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物數(shù)據(jù)庫(kù)Benchmark2.0的84個(gè)復(fù)合物上進(jìn)行了驗(yàn)證，特別地，對(duì)于可通過(guò)多個(gè)不同結(jié)合部位參與復(fù)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(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

6、中，預(yù)測(cè)給出的三個(gè)結(jié)合部位與復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)完全一致。上述研究有助于進(jìn)一步了解溶劑化效應(yīng)在蛋白質(zhì)復(fù)合物形成中的重要影響，并為合理的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。
　　 在復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中，僅僅知道單體的結(jié)合位點(diǎn)還不夠，需要進(jìn)一步探索兩個(gè)單體之間的界面匹配關(guān)系。通過(guò)分析蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)Benchmark3.0中的78個(gè)雙鏈和30個(gè)多鏈復(fù)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(fù)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(gè)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(gè)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(lái)預(yù)測(cè)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(fù)合物界面上。這種結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)方法被

8、制作成高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（http://bioinformatics.bjut.edu.cn/pama/），免費(fèi)提供給學(xué)術(shù)用戶(hù)使用。
　　 基于PAMA參數(shù)的預(yù)測(cè)方法相對(duì)于以往的結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)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(duì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用以及復(fù)合物結(jié)構(gòu)形成的影響。上述研究有助于我們進(jìn)一步了解蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的機(jī)理以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互識(shí)別的特異性和親和力的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
　　 (2)復(fù)合物構(gòu)象

9、搜索及過(guò)濾方法的改進(jìn)
　　 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(shí)間里搜索到近天然結(jié)構(gòu)，因此復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究的一個(gè)重要問(wèn)題是建立快速有效的搜索算法。本論文提出了一種新的“過(guò)濾加強(qiáng)”采樣方法，并將其應(yīng)用到我們的集成復(fù)合物構(gòu)象預(yù)測(cè)算法中以提高構(gòu)象采樣的效率。過(guò)濾方法是基于對(duì)天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中被多于9個(gè)疏水基團(tuán)所包裹的主鏈氫鍵進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，這些疏水基團(tuán)能夠使得氫鍵主鏈免受水分

10、子的侵?jǐn)_，所以這樣的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)就穩(wěn)定。如果復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(lái)，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(shí)間，能夠采集到更多近天然結(jié)構(gòu)，提高采樣效率。
　　 為了驗(yàn)證我們所提出的過(guò)濾方法的有效性，在經(jīng)過(guò)CAPRI盲測(cè)后，我們將“過(guò)濾加強(qiáng)”的采樣方法應(yīng)用到比較容易的目標(biāo)體系T12和比較困難的目標(biāo)體系T20和T21上，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果

11、都得到了提高，配體的最小均方根偏差減小，同時(shí)，近天然結(jié)構(gòu)數(shù)量增加。對(duì)于T12，改進(jìn)前的配體均方根偏差是0.94nm，改進(jìn)后的配體均方根偏差是0.12nm，達(dá)到了晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確程度范圍。
　　 (3)集成分子對(duì)接方法
　　 在上述研究的基礎(chǔ)上，我們開(kāi)發(fā)了一套集成分子對(duì)接方法HoDock(HolisticDock)。該方法把結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果加入到分子對(duì)接程序中，在構(gòu)象的過(guò)濾中，把我們提出的“過(guò)濾加強(qiáng)”方法整合到該程序包中

12、。我們的集成分子對(duì)接方法主要包括以下四步：1）預(yù)測(cè)結(jié)合位點(diǎn)關(guān)鍵殘基，2）通過(guò)位置約束對(duì)接程序生成備選的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，3）打分和成簇，4）挑選最終復(fù)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(diǎn)預(yù)測(cè)方法和構(gòu)象過(guò)濾方法，減少構(gòu)象空間的搜索范圍并過(guò)濾掉不合理結(jié)構(gòu)；使用基于網(wǎng)絡(luò)的組合打分函數(shù)HPNCscore，對(duì)復(fù)合物進(jìn)行打分；結(jié)合實(shí)驗(yàn)信息和理論預(yù)測(cè)的位點(diǎn)信息，挑選出最有可能的復(fù)合物構(gòu)象。在最近CAPRI對(duì)接比賽中的T