專利名稱：一種利用計算機模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用計算機模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法，尤其涉及一種利用NAMD_2.6和VMD-1.8.5軟件研究蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子之間相互作用的方法。
背景技術(shù)：
蛋白質(zhì)相互作用是生命活動過程的關(guān)鍵步驟，如多轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同調(diào)控、蛋白質(zhì)的折疊及酶的合成、分子識別及信號分子的轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫反應(yīng)等。常規(guī)的實驗方法采用測定反應(yīng)平衡常數(shù)來檢測蛋白質(zhì)之間的結(jié)合強度，也可通過原子力顯微鏡，對單分子進行操作，將蛋白質(zhì)彼此分開為解離過程提供信息。但是無論是測定反應(yīng)平衡常數(shù)還是用原子力顯微鏡進行操作都不能很好的揭示蛋白質(zhì)間的非鍵相互作用，而分子動力學模擬的方法可以彌補上述不足。不僅如此，通過分子動力學模擬還能得到蛋白質(zhì)相互作用的具體過程(每個原子的運動軌跡)以及該過程中的許多重要的動力學參數(shù)。
自1977年McCammon J.A.等首次用分子動力學的方法研究蛋白質(zhì)至今，分子動力學模擬的計算方法迅速發(fā)展，模擬的體系從最初的數(shù)百個原子幾皮秒的尺度到今天260多萬個原子幾百個納秒的尺度，模擬的對象包括蛋白質(zhì)、DNA、RNA等。但是，這些分子動力學模擬的過程大都是在大型計算機或者高性能計算中心完成的，而利用NAMD_2.6_Linux-i686計算軟件和VMD-1.8.5分析軟件在PC機上進行分子動力學模擬，目前國內(nèi)外未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種利用NAMD_2.6_Linux-i686計算軟件和VMD-1.8.5分析軟件(http//www.ks.uiuc.edu/Research/namd/)在普通PC機上模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法。
本發(fā)明所述的方法，按如下步驟進行(1)從PDB數(shù)據(jù)庫獲得含有一條或多條肽鏈的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；(2)利用VMD-1.8.5軟件提取欲研究的目標肽鏈，將其溶解到盛有0.9％NaCl溶液的長方體水箱(Water Box)中，并且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系制成含有非氫原子空間位置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，命名為ionized.pdb，同時將該體系制成含有氫原子以及氫鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)，命名為ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟件，采用Charmm27力場，用Steepest Descent方法，在周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions PBC)下對上述肽-鹽溶液體系進行總時間長度為20皮秒(ps)的能量最小化(Minimize)處理，在此過程中每2飛秒(fs)計算一次以各原子為球心、半徑為10的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的電場力，計算完成后得到各原子的運動軌跡，命名為minimize.dcd；(4)然后，固定肽鏈中的所有原子，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法加熱20ps的時間，結(jié)果體系逐漸升溫并穩(wěn)定到280-320K，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為heat.dcd；(5)依次用100kcal/mol·2、50kcal/mol·2、20kcal/mol·2和10kcal/mol·2的和諧約束作用(Harmonic Constraint)約束上述肽鏈，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法和Nose-Hoover Langevin piston控壓方法將溫度控制在300K，壓強控制在1atm，分別平衡體系20ps，依次分別得到各步中所有原子的運動軌跡，依次分別命名為equ100.dcd、equ50.dcd、equ20.dcd和equ10.dcd；(6)去除(5)中對肽鏈的和諧約束，采用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法、控溫控壓方法，將PME grid(Particle Mesh Ewald grid)邊長設(shè)置為1±0.1，利用PME長程電場力計算方法，固定體系中所有的氫氧鍵長，對整個體系進行2納秒(ns)的分子動力學模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為simulate.dcd；(7)將上述(3)-(6)中的計算結(jié)果minimize.dcd、heat.dcd、equ100.dcd、equ50.dcd、equ20.dcd、equ10.dcd和simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟件觀察所有原子的運動軌跡；(8)通過上述運動軌跡分析蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化過程；(9)找出蛋白質(zhì)構(gòu)象變化過程中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基。
上述的利用計算機模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法中步驟(4)中所述的體系穩(wěn)定溫度優(yōu)選為310K。
利用本發(fā)明所述的方法進行蛋白質(zhì)相互作用的模擬與傳統(tǒng)方法相比具有明顯的優(yōu)越性(1)對范德華力和電場力的計算精度高，計算范圍分別為10和12，而傳統(tǒng)方法大都使用9；(2)不需借助于大型計算機和高性能計算中心，設(shè)備要求低，在普通PC上即可進行；(3)CPU利用率高，在沒有干擾的情況下利用率可達到95％以上；(4)所用機時短，對于3萬到4萬個原子的體系在雙核Pentium4 3.0G Hz處理器、1G內(nèi)存、Redfleg Desktop 5.0操作系統(tǒng)的PC機上約一周時間即可；(5)結(jié)果準確可靠；(6)便于在與分子識別和蛋白質(zhì)動力學行為相關(guān)的生命科學和物理化學以及醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。


圖1 HMG結(jié)構(gòu)域和POUs結(jié)構(gòu)域的初始態(tài)和終態(tài)構(gòu)象圖中A為模擬之前Sox的HMG結(jié)構(gòu)域和Oct4的POUs結(jié)構(gòu)域的相對位置和構(gòu)象，B為模擬之后兩者的相對位置和構(gòu)象(HMG結(jié)構(gòu)域在上面，POUs結(jié)構(gòu)域在下面)。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明實施例1(1)從PDB數(shù)據(jù)庫(http//www.rcsb.org/pdb/home/home.do)獲得代碼為1o4x的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)命名為1o4x.pdb；(2)利用VMD-1.8.5軟件提取欲研究的目標肽鏈，將其溶解到盛有0.9％NaCl溶液的長方體水箱(Water Box)中，并且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系制成含有非氫原子空間位置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，命名為1o4x_ionized.pdb，同時將該體系制成含有氫原子以及氫鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)，命名為1o4x_ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟件，采用Charmm27力場，用Steepest Descent方法，在周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions PBC)下對上述肽-鹽溶液體系進行總時間長度為20皮秒(ps)的能量最小化(Minimize)處理，在此過程中每2飛秒(fs)計算一次以各原子為球心、半徑為10的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的電場力，計算完成后得到各原子的運動軌跡，命名為1o4x_minimize.dcd；(4)然后，固定肽鏈中的所有原子，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法加熱20ps的時間，結(jié)果體系逐漸升溫并穩(wěn)定到310K，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為1o4x_heat.dcd；(5)依次用100kcal/mol·2、50kcal/mol·2、20kcal/mol·2和10kcal/mol·2的和諧約束作用(Harmonic Constraint)約束上述肽鏈，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法和Nose-Hoover Langevin piston控壓方法將溫度控制在300K，壓強控制在1atm，分別平衡體系20ps，依次分別得到各步中所有原子的運動軌跡，依次分別命名為1o4x_equ100.dcd、1o4x_equ50.dcd、1o4x_equ20.dcd和1o4x_equ10.dcd；(6)去除(5)中對肽鏈的和諧約束，采用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法、控溫控壓方法，將PME grid(Particle Mesh Ewald grid)邊長設(shè)置為1±0.1，利用PME長程電場力計算方法，固定體系中所有的氫氧鍵長，對整個體系進行2納秒(ns)的分子動力學模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為1o4x_simulate.dcd；(7)將上述(3)-(6)中的計算結(jié)果1o4x_minimize.dcd、1o4x_heat.dcd、1o4x_equ100.dcd、1o4x_equ50.dcd、1o4x_equ20.dcd、1o4x_equ10.dcd和1o4x_simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟件觀察所有原子的運動軌跡；(8)通過上述運動軌跡分析蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化過程，初始態(tài)和終態(tài)構(gòu)象見圖1；(9)找到蛋白質(zhì)構(gòu)象變化過程中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基HMG的ASP274和POUs的LYS18。
實施例2(1)從PDB數(shù)據(jù)庫(http//www.rcsb.org/pdb/home/home.do)獲得代碼為1JLU的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)命名為1JLU.pdb；(2)利用VMD-1.8.5軟件提取欲研究的目標肽鏈，將其溶解到盛有0.9％NaCl溶液的長方體水箱(Water Box)中，并且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系制成含有非氫原子空間位置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，命名為1JLU_ionized.pdb，同時將該體系制成含有氫原子以及氫鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)，命名為1JLU_ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟件，采用Charmm27力場，用Steepest Descent方法，在周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions PBC)下對上述肽-鹽溶液體系進行總時間長度為20皮秒(ps)的能量最小化(Minimize)處理，在此過程中每2飛秒(fs)計算一次以各原子為球心、半徑為10的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的電場力，計算完成后得到各原子的運動軌跡，命名為1JLU_minimize.dcd；(4)然后，固定肽鏈中的所有原子，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法加熱20ps的時間，結(jié)果體系逐漸升溫并穩(wěn)定到320K，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為1JLU_heat.dcd；(5)依次用100kcal/mol·2、50kcal/mol·2、20kcal/mol·2和10kcal/mol·2的和諧約束作用(Harmonic Constraint)約束上述肽鏈，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法和Nose-Hoover Langevin piston控壓方法將溫度控制在300K，壓強控制在1atm，分別平衡體系20ps，依次分別得到各步中所有原子的運動軌跡，依次分別命名為1JLU_equ100.dcd、1JLU_equ50.dcd、1JLU_equ20.dcd和1JLU_equ10.dcd；(6)去除(5)中對肽鏈的和諧約束，采用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法、控溫控壓方法，將PME grid(Particle Mesh Ewald grid)邊長設(shè)置為1±0.1，利用PME長程電場力計算方法，固定體系中所有的氫氧鍵長，對整個體系進行2納秒(ns)的分子動力學模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為1JLU_simulate.dcd；(7)將上述(3)-(6)中的計算結(jié)果1JLU_minimize.dcd、1JLU_heat.dcd、1JLU_equ100.dcd、1JLU_equ50.dcd、1JLU_equ20.dcd、1JLU_equ10.dcd和1JLU_simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟件觀察所有原子的運動軌跡；(8)通過上述運動軌跡分析蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化過程；(9)找到蛋白質(zhì)構(gòu)象變化過程中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基。
實施例3(1)從PDB數(shù)據(jù)庫(http//www.rcsb.org/pdb/home/home.do)獲得代碼為1HN2的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)命名為1HN2.pdb；(2)利用VMD-1.8.5軟件提取欲研究的目標肽鏈，將其溶解到盛有0.9％NaCl溶液的長方體水箱(Water Box)中，并且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系制成含有非氫原子空間位置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，命名為1HN2_ionized.pdb，同時將該體系制成含有氫原子以及氫鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)，命名為1HN2_ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟件，采用Charmm27力場，用Steepest Descent方法，在周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions PBC)下對上述肽-鹽溶液體系進行總時間長度為20皮秒(ps)的能量最小化(Minimize)處理，在此過程中每2飛秒(fs)計算一次以各原子為球心、半徑為10的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的電場力，計算完成后得到各原子的運動軌跡，命名為1HN2_minimize.dcd；(4)然后，固定肽鏈中的所有原子，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法加熱20ps的時間，結(jié)果體系逐漸升溫并穩(wěn)定到280K，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為1HN2_heat.dcd；(5)依次用100kcal/mol·2、50kcal/mol·2、20kcal/mol·2和10kcal/mol·2的和諧約束作用(Harmonic Constraint)約束肽鏈，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學(Langevin Dynamics)控溫方法和Nose-Hoover Langevin piston控壓方法將溫度控制在300K，壓強控制在1atm，分別平衡體系20ps，依次分別得到各步中所有原子的運動軌跡，依次分別命名為1HN2_equ100.dcd、1HN2_equ50.dcd、1HN2_equ20.dcd和1HN2_equ10.dcd；(6)去除(5)中對肽鏈的和諧約束，采用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法、控溫控壓方法，將PME grid(Particle Mesh Ewald grid)邊長設(shè)置為1±0.1，利用PME長程電場力計算方法，固定體系中所有的氫氧鍵長，對整個體系進行2納秒(ns)的分子動力學模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為1HN2_simulate.dcd；(7)將上述(3)-(6)中的計算結(jié)果1HN2_minimize.dcd、1HN2_heat.dcd、1HN2_equ100.dcd、1HN2_equ50.dcd、1HN2_equ20.dcd、1HN2_equ10.dcd和1HN2_simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟件觀察所有原子的運動軌跡；(8)通過上述運動軌跡分析蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化過程；(9)找出蛋白質(zhì)構(gòu)象變化過程中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基。
權(quán)利要求
1.一種利用計算機模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法，按如下步驟進行(1)從PDB數(shù)據(jù)庫獲得含有一條或多條肽鏈的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；(2)利用VMD-1.8.5軟件提取欲研究的目標肽鏈，將其溶解到盛有0.9％NaCl溶液的長方體水箱中，并且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系制成含有非氫原子空間位置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，命名為ionized.pdb，同時將該體系制成含有氫原子以及氫鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)，命名為ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟件，采用Charmm27力場，用Steepest Descent方法，在周期性邊界條件下對上述肽-鹽溶液體系進行總時間長度為20皮秒的能量最小化處理，在此過程中每2飛秒計算一次以各原子為球心、半徑為10的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力，每4飛秒計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的電場力，計算完成后得到各原子的運動軌跡，命名為minimize.dcd；(4)然后，固定肽鏈中的所有原子，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學控溫方法加熱20皮秒的時間，結(jié)果體系逐漸升溫并穩(wěn)定到280-320K，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為heat.dcd；(5)依次用100kcal/mol·2、50kcal/mol·2、20kcal/mol·2和10kcal/mol·2的和諧約束作用約束上述肽鏈，采用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法，使用Langevin動力學控溫方法和Nose-Hoover Langevin piston控壓方法將溫度控制在300K，壓強控制在1atm，分別平衡體系20皮秒，依次分別得到各步中所有原子的運動軌跡，依次分別命名為equ100.dcd、equ50.dcd、equ20.dcd和equ10.dcd；(6)去除(5)中對肽鏈的和諧約束，采用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、范德華力和電場力計算方法、控溫控壓方法，將PME grid邊長設(shè)置為1±0.1，利用PME長程電場力計算方法，固定體系中所有的氫氧鍵長，對整個體系進行2納秒的分子動力學模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡，命名為simulate.dcd；(7)將上述(3)-(6)中的計算結(jié)果minimize.dcd、heat.dcd、equ100.dcd、equ50.dcd、equ20.dcd、equ10.dcd和simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟件觀察所有原子的運動軌跡；(8)通過上述運動軌跡分析蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化過程；(9)找出蛋白質(zhì)構(gòu)象變化過程中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基。
2.如權(quán)利要求1所述的利用計算機模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法，其特征是步驟(4)中所述的體系穩(wěn)定溫度為310K。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用計算機模擬蛋白質(zhì)相互作用的方法。該方法利用NAMD_2.6_Linux－i686計算軟件和VMD－1.8.5分析軟件在PC機上進行分子動力學模擬，首先將PDB數(shù)據(jù)庫的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)制成適當?shù)难芯矿w系，然后對該體系進行能量最小化處理，將體系加熱到設(shè)定溫度后，再對體系進行多步平衡處理，接著對體系實施分子動力學模擬，最后研究蛋白質(zhì)在設(shè)定條件下所有原子的運動軌跡、構(gòu)象變化和變化過程中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基。該方法不需借助于大型計算機和高性能計算中心，設(shè)備要求低，CPU利用率高，所用機時短并且結(jié)果準確可靠，便于在與分子識別和蛋白質(zhì)動力學行為相關(guān)的生命科學和物理化學以及醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
文檔編號G06F19/00GK101051335SQ20071001549
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者時永香, 連鵬, 張楠, 劉潔 申請人:山東大學