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作者:nnjk 发表于 2022-3-3 16:15:04
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我们通常在一篇文章里面看到蛋白质组学分子对接技术结合使用。蛋白质组学有助于我们找到样品之间的差异蛋白以及差异蛋白相应的功能。分子对接(docking)有助于理解分子之间的相互作用。
那么怎么进行分子对接,以及怎么和我们蛋白质组学数据相联系呢?小牟以最近整理的数据为例,谈谈自己的心得。
许多文章提到了蛋白质组学和分子对接的目的是筛选药物,例如利用槐果碱(SPC)作用于小鼠的哮喘模型,通过与正常小鼠对比,找到了上调和下调的差异蛋白,利用SPC与所有的差异蛋白进行模拟对接,通过结合能等指标判断,从而选出SPC的靶向蛋白。
然而,在小牟的数据中,主要目的不是找药物的靶向蛋白。在某个外界条件的影响下,我们通过蛋白质-蛋白质互作用网络图(PPI),找到了其中关键蛋白mtor与许多差异蛋白有直接关系,因此推测mtor起到了的信号传递过程的重要作用。但是PPI也只是预测,不能真的说明蛋白质之间有相互作用,因此需要进一步验证。但是由于验证实验的复杂性,我们没有做是否mtor真的对那些蛋白起到了作用的实验(理论上将蛋白提纯出来,在体外验证是否对接了),因此我们利用分子对接,说明mtor和蛋白质有相应的结合位点,进一步给我们的猜想增加证据。
下面来详细介绍分子对接:
#1
历史最早可追溯到Fisher于1894年提出的锁钥模型",即药物与体内的蛋白质大分子即受体会发生类似钥匙与锁的识别关系,这种识别关系主要依赖两者的空间匹配。然而,这种说法有局限性,因为分子对接过程中,受体和配体是柔性的,即在结合过程中靶酶和底物的分子构象是变化的,不仅要满足空间的匹配,也要满足结合自由能的匹配。因此,1958年D.E.Koshland提出了“诱导契合"学说,核心内容为蛋白的活性位点通过与配体的相互作用而发生变化。实际上,“诱导契合"比“锁钥模型"更加准确。另一方面,计算机科学的发展进一步促成了分子对接的发展。
早期的分子对接方法集中在小分子之间的识别,但由于计算能力有限,难以处理大分子的分子对接。1995年,Accelrys公司开发的计算化学软件Affinity上市,这是第一个可以进行大分子参与对接的软件,此后各种软件层出不穷。
#2
  定义分子对接是通过研究配体分子和受体分子的相互作用,预测其亲和力和结合模式,实现基于结构的药物设计和筛选的一种重要方法。
#3
原理配体与受体结合必须满足互相匹配原则,即配体与受体几何形状、静电、氢键、疏水相互作用互补匹配。
#4
  对接过程分子对接是将已知三维结构数据库中的分子逐一放在靶标分子的活性位点处,通过不断优化受体化合物的位置、构象、分子内部可旋转键的二面角和受体的氨基酸残基侧链和骨架,寻找受体小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象,并预测其结合模式、亲和力,通过打分函数挑选出接近天然构象的与受体亲 和力最佳的配体的过程。
#5
■  种类(1)刚性对接:刚性对接方法在计算过程中,参与对接的分子构像不发生变化,仅改变分子的空间位置与姿态,刚性对接方法的简化程度最高,计算量相对较小,适合于处理大分子之间的对接。 (2)半柔性对接:半柔性对接方法允许对接过程中小分子构像发生一定程度的变化,但通常会固定大 分子的构像,另外小分子构像的调整也可能受到一定程度的限制,如固定某些非关键部位的键长、键角等, 半柔性对接方法兼顾计算量与模型的预测能力,是应用比较广泛的对接方法之一。(3)柔性对接:柔性对接方法在对接过程中允许研究体系的构像发生自由变化,由于变量随着体系的原子数呈几何级数增长,因此柔性对接方法的计算量非常大,消耗计算机时很多,适合精确考察分子间识别情况。
对接教程|

一、 找到需要对接的蛋白质的晶体结构这时我们要去可以去PDB数据库下载蛋白质的结构。可供选择的网址有https://www.rcsb.org/,和https://www.uniprot.org/后一个数据库比较全。现在用uniprot举例。打开网址,在搜索框输入自己数据里鉴定到的mtor的蛋白质ID,Q9JLN9,点“search”。
搜索结果如下,检查一下蛋白质信息。左边的菜单栏有蛋白质的功能富集、亚细胞定位等信息。
点到“structure”。看到目前这个蛋白只有Predicted模型。
点击alphafold,下载PDB文件。
补充说明:这个蛋白目前就只有一个预测的结构。但是有时候我们会遇到一个蛋白对应多个结构,那这样的话应该怎么选择呢?举例:Q9JHS3,AKT1蛋白。可看出多个结构。我们迅速看下参数,第二列是PDB ID,测定的方法有X-射线法(X-rey),绝大多数蛋白质都使用的方法;核磁共振(NMR),使用无法结晶的蛋白质,在液体的环境下进行;此外有些冷冻电镜法,不常用。Resolution是分辨率,Å越低说明分辨率越高;2-124说明,这段氨基酸序列在这个结构里面,一般情况下越长越好,因此如果太短了可能结合位点也少,也就没有我们想要的位点。所以综合分辨率、氨基酸长度,选择了1VET这个结构进行对接。


二、对接过程
常用的分子对接软件有 AutoDock、DOCK、3D-DOCK、HEX、 HADDOCK、Z-DOCK、GRAXX 等,其中HADDOCK、Z-DOCK、GRAMM-X 等可以做大分子与大分子对接。下面以GRAMM-X为例。http://vakser.compbio.ku.edu/resources/gramm/grammx/ (1)上传受体蛋白和配体蛋白的pdb格式文件,并选择链 ID(留空将使用受体、配体蛋白中的所有链)。
(2)填入输出模型数、相互作用面残基等可选参数(可直接使用默认值)。
(3)提交文件及参数,对接模拟会在服务器的计算机集群上运行。结果将保存在 Web 服务器上的一个临时目录中,个人邮箱会收到该目录的链接。预测结果是一个pdb文件。
三、对接结果可视化我们使用的是PDBePISA,这是一个在线的用于探测分析大分子相互作用面的交互式工具。对于输入的蛋白质复合体,PDBePISA都可以详细的计算出复合体相互作用面上的原子数及比例、相互作用面上的氨基酸数及比例、相互作用面积及比例、溶剂化自由能、相互作用面上的氢键、二硫键、盐键、共价键的位置及其作用强度。https://www.ebi.ac.uk/msd-srv/prot_int/1.使用步骤(1)打开PDBePISA主页。点击“Launch PDBePisa”启动在线分析网页。
(2)输入网页上可以输入PDBID查看现有复合体结构的相互作用面,也可以点击“Coordinate file”上传本地的复合结构体,在这里我们上传GRAMM_X的结果“r-l.pdb”,点击“Upload”上传文件。
(3)上传成功后,点击“Interfaces”查看相互作用面情况。

(4) 结合面列表(Interface List)里可以查看蛋白质相互作用面的面积大小(interface area, Å2),以及该种对接方式下自由能的高低(ΔiG kcal/mol),自由能越低说明结构越稳定。通常小于零的自由能才对应一个有意义的对接结果。点击“Download”可以下载如查看具体结合位点,点击“Details”查看更多信息。点击“view”可以看对接的图片。
(5) ①“Interface Summary  ”给出了对接总体的原子数、残基数、溶剂化自由能的数据及比例。
②“Hydrogen bonds”可以查看相互作用面上形成的所有氢键,以及形成氢键的原子和化学键的键长。
③“Interfacing residues”给出了两个蛋白质中所有参与相互作用的残基、残基参与的化学键(如氢键H、盐键S、二硫键D、共价键C)、残基埋入相互作用面的面积比,竖线越多说明埋入面积占比越大。


三种数据均可以下载XML文件。

(6)页面还提供了Jmol插件,以图像化显示相互作用面和作用面上的残基。
点击rending,可以变换不同的显示形式。

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