一種基于決策樹判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的方法
【專利摘要】一種基于決策樹判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的方法，包括步驟：對非洲爪蟾雌激素受體蛋白ERβ進(jìn)行同源建模及評價；運用分子模擬軟件DS獲取化合物的物理參數(shù)，以及化合物對小鼠、非洲爪蟾的結(jié)合能，分析小鼠-化合物的結(jié)合能與非洲爪蟾-化合物的結(jié)合能的線性關(guān)系；通過化合物對小鼠的物理參數(shù)和結(jié)合能建立化合物對小鼠有無雌激素效應(yīng)的決策樹；利用小鼠和非洲爪蟾結(jié)合能之間的線性關(guān)系，構(gòu)建化合物對非洲爪蟾有無雌激素效應(yīng)的決策樹。本發(fā)明適用范圍廣，無需復(fù)雜的檢測設(shè)備，不造成試驗和環(huán)境污染，建立簡便、快捷的化合物對非洲爪蟾雌激素效應(yīng)的判斷方法，為實施具有雌激素效應(yīng)污染物的排放、生態(tài)風(fēng)險評價提供科學(xué)依據(jù)。
【專利說明】一種基于決策樹判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌 激素效應(yīng)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境污染檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于決策樹判別環(huán)境中化合物對非 洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境雌激素（ecoestrogen)，是指能夠擾亂動物內(nèi)分泌活動，生理活性與雌激素較 為相似的動物體外化學(xué)物質(zhì)。隨著人工合成化合物的大量使用，環(huán)境中化合物的種類也在 不斷增加。許多進(jìn)入環(huán)境的化合物被認(rèn)為是與動物或者人體天然激素功能相似或者完全相 反的內(nèi)分泌干擾物（Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs)，EDCs可以通過諸多途徑影 響動物和人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)，其中包括對雌激素受體蛋白（Estrogen Receptor, ER)的影 響。
[0003] 目前，已有數(shù)據(jù)較多的是有關(guān)小鼠的雌激素效應(yīng)，比如用小鼠子宮增重法篩選淫 羊藿等式中藥雌激素作用的研究，異黃酮植物雌激素對小鼠免疫功能的研究以及小鼠子宮 增重法檢測國產(chǎn)三氯殺螨醇的雌激素生物活性等，所以有比較多的關(guān)于小鼠雌激素效應(yīng)的 數(shù)據(jù)庫（比如NCTR數(shù)據(jù)庫）。
[0004] 關(guān)注兩棲動物是近年的事情，所以數(shù)據(jù)比較少；但是僅有的數(shù)據(jù)就已經(jīng)表明部分 化合物對兩棲動物存在著雌激素效應(yīng)作用。
[0005] 由于化合物對非洲爪蟾雌激素效應(yīng)實驗的周期長，化合物對生物體作用機(jī)理復(fù)雜 等原因，對同一化合物的不同實驗可能會得到不同的結(jié)論（如阿特拉津），對于環(huán)境中已存 在的大量的化合物以及即將合成的新的大批化合物，沒辦法也沒時間一一測定。所以需要 建立一個簡便、快捷的化合物對非洲爪蟾雌激素效應(yīng)的判斷方法。
[0006] 現(xiàn)有的雌激素效應(yīng)判別方法包括：體內(nèi)試驗法和Hong等建立的決策樹判 別法。目前，化合物對生物體是否具有雌激素效應(yīng)的判斷主要是通過實驗手段獲得。 Hong等人在2002年通過大量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，具有類固醇（steroid)、DES和酚醒環(huán) (phenolic ring)結(jié)構(gòu)的化合物由于與雌二醇有著相似的結(jié)構(gòu)，其能很好的與ER蛋白結(jié) 合，因此這類化合物都對生物體幾乎全都具有雌激素效應(yīng)。對沒有這三類結(jié)構(gòu)的化合物， Hong(Hong Η. , Tong, ff. , Fang, H. , et al. Prediction of estrogen receptor binding for58,OOOchemicals using an integrated system of a tree-based model with structural alerts. Environmental Health Perspectives，2002. 110(1) :29-36)等人利 用化合物的物理參數(shù)（如l〇gP、Jurs-PNSA-2、Jur_PRCS和shadow XY fraction)通過建立 決策樹（Decision Tree)的方法判斷化合物的雌激素效應(yīng)。
[0007] 決策樹判別法的不足包括：a:決策樹中所用參數(shù)為理化參數(shù)，不能反映生物作 用。
[0003] Hong等人所建的決策樹中所用到參數(shù)logP、Jur-PNSA-2、Jur-RPCS和shadow XY 等物理參數(shù)，并沒有能代表化合物與生物體相互作用的參數(shù)。b :只適用于小鼠雌激素效應(yīng) 的判別，而不能應(yīng)用于非洲爪蟾雌激素效應(yīng)判別。
[0009] 隨著人們對化合物研究的深入以及新化合物的合成，Hong等人設(shè)計的決策樹 已不能滿足人們對化合物雌激素效應(yīng)判斷的需求。如乙草胺（Acetochlor)和氟化米特 (flutamide)是近年來人們發(fā)現(xiàn)的對非洲爪蟾具有雌激素效應(yīng)的化合物，但用Hong等人所 建的決策樹并不能準(zhǔn)確判斷這兩種化合物的雌激素效應(yīng)。因此，我們認(rèn)為Hong等人利用物 理參數(shù)所建的決策樹已不能滿足已存在化合物雌激素效應(yīng)的判斷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種基于決策樹判別環(huán)境中化 合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的方法。
[0011] 近年來分子對接方法已經(jīng)成功應(yīng)用于表征化合物與受體蛋白的相互作用，不僅能 夠提供化學(xué)信息，同時提供了生物信息。因此，本文在決策樹中引入能代表小分子化合物與 生物體相互作用能的結(jié)合能（Ebinding)對決策樹進(jìn)行修正。
[0012] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0013] 本發(fā)明提供一種利用NCTR數(shù)據(jù)庫中化合物對小鼠子宮增重實驗的實驗數(shù)據(jù)，建 立一個判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的決策樹的方法。
[0014] 一種基于決策樹判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的方法，其包 括以下步驟：
[0015] ⑴對非洲爪蟾雌激素受體蛋白ERi3進(jìn)行同源建模及評價；
[0016] (2)運用分子模擬軟件DS (美國Accelrys公司版本為2. 5. 5)獲取化合物的物理 參數(shù)，以及化合物對小鼠、非洲爪蟾的結(jié)合能（Ebinding)并分析小鼠-化合物的結(jié)合能與 非洲爪蟾-化合物的結(jié)合能的線性關(guān)系；
[0017] (3)通過化合物對小鼠的物理參數(shù)和結(jié)合能（Ebinding)建立化合物對小鼠有無 雌激素效應(yīng)的決策樹；
[0018] (4)利用小鼠和非洲爪蟾結(jié)合能（Ebinding)之間的線性關(guān)系，構(gòu)建化合物對非洲 爪蟾有無雌激素效應(yīng)的決策樹。
[0019] 所述的步驟（2)中，化合物的物理參數(shù)，包括化合物的疏水性（logP)、分子間相互 結(jié)合的表面正電荷區(qū)域的形狀、電荷信息（Jurs-PNSA-2、Jur-PRCS)以及分子寬度的空間 參數(shù)（shadow XY)。
[0020] 所述的步驟（2)中，獲取化合物的物理參數(shù)，具體包括以下步驟：通過已有的小鼠 蛋白結(jié)構(gòu)運用DS軟件計算小鼠的各項參數(shù)（包括logP、Jurs-PNSA-2、Jur-PRCS和shadow XY fraction，以及結(jié)合能），通過同源建模的非洲爪蟾的蛋白結(jié)構(gòu)運用DS軟件計算非洲爪 蟾的各項參數(shù)（包括 l〇gP、Jurs_PNSA_2、Jur-PRCS 和 shadow XY fraction,以及結(jié)合能）。
[0021] 所述的步驟（1)中，非洲爪蟾雌激素受體蛋白ERi3的同源建模及評價，包括以下 步驟：
[0022] (11)以非洲爪蟾的ER3的一級序列為探針，在NCBI數(shù)據(jù)庫中利用 protein-protein blast程序搜索PDB蛋白晶體數(shù)據(jù)庫，得到一系列模板蛋白；
[0023] (12)以2J7X為模板，以在NCBI數(shù)據(jù)庫中編號為NP_001124426. 1的非洲爪蟾ERi3 蛋白的一級氨基酸序列為目標(biāo)，進(jìn)行同源建模。
[0024] 所述受體蛋白所在的受試生物為非洲爪蟾。
[0025] 所述的步驟（2)，測定化合物與小鼠、非洲爪蟾受體蛋白的相互結(jié)合能，包括以下 步驟：
[0026] (21)、對所建同源模型加 Charm力場；
[0027] (22)、選擇構(gòu)建同源模型的受體蛋白為受體，根據(jù)同源建模時保留了小鼠的配體 選定結(jié)合區(qū)域；
[0028] (23)、進(jìn)行化合物與受體蛋白的對接；
[0029] (24)、對接結(jié)束后，獲取化合物與小鼠、非洲爪蟾的受體蛋白的相互結(jié)合能。
[0030] 所述步驟（4)中化合物對非洲爪蟾有無雌激素效應(yīng)的決策樹，包括以下步驟：
[0031] (41)、同源建模以非洲爪蟾的ER3的一級序列為探針，在NCBI數(shù)據(jù)庫中利用 protein-protein blast程序搜索PDB蛋白晶體數(shù)據(jù)庫，得到一系列模板蛋白，以2J7X為模 板，以在NCBI數(shù)據(jù)庫中編號為NP_001124426. 1的非洲爪蟾ERi3蛋白的一級氨基酸序列為 目標(biāo)，進(jìn)行同源建模；
[0032] (42)、參數(shù)計算用同源建模建好的模型通過分子對接結(jié)算出化合物的物理參數(shù) logP、Jur-PNSA_2、Jur-RPCS 和 shadow XY 及分子模擬的結(jié)合能（Ebinding);
[0033] (43)、利用matlab中的Decesion Tree模塊建立關(guān)于化合物結(jié)構(gòu)參數(shù)logP、 Jur-PNSA-2、Jur-RPCS、shadow XY，通過非洲爪蟾和小鼠雌激素受體蛋白對接的結(jié)合能 (Ebinding)的線性關(guān)系建立有關(guān)非洲爪蟾的決策樹。
[0034] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0035] 目前，已有數(shù)據(jù)較多是關(guān)于小鼠的雌激素效應(yīng)，而有關(guān)兩棲類動物雌激素效應(yīng)的 數(shù)據(jù)較少。按照傳統(tǒng)方法，要進(jìn)行不同種化合物對不同種類的生物是否具有雌激素效應(yīng)的 試驗需要很大的人力、物力和財力，如兩棲類非洲爪蟾雌激素效應(yīng)試驗具有較長的試驗周 期。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法適用范圍廣，無需復(fù)雜的檢測設(shè)備，不造成試驗與 環(huán)境污染，可以簡便、快捷的進(jìn)行大批量化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的預(yù)測和 判斷。同時可以將此方法推廣至其他種類生物。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明實施例中方法的流程圖。
[0037] 圖2為本發(fā)明實施例中非洲爪蟾預(yù)測環(huán)境中的化合物是否具有雌激素效應(yīng)的決 策樹。
[0038] 圖3為本發(fā)明實施例中以小鼠 ERi3為參數(shù)構(gòu)建的決策樹。
[0039] 圖4為本發(fā)明實施例中本發(fā)明的具體方法流程圖。

【具體實施方式】
[0040] 如圖1和圖4所示，一個能判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的 決策樹的方法，其包括以下步驟：
[0041] 1、非洲爪蟾雌激素受體蛋白ERi3的同源建模及評價；
[0042] 2、運用分子模擬軟件DS獲取化合物的物理參數(shù)，以及化合物對小鼠和非洲爪蟾 的結(jié)合能（Ebinding)，分析小鼠-化合物的結(jié)合能與非洲爪蟾-化合物的結(jié)合能的線性關(guān) 系；
[0043] 3、通過化合物對小鼠的物理參數(shù)和結(jié)合能（Ebinding)建立化合物對小鼠有無雌 激素效應(yīng)的決策樹；
[0044] 4、利用小鼠和非洲爪蟾結(jié)合能（Ebinding)之間的線性關(guān)系，構(gòu)建化合物對非洲 爪蟾有無雌激素效應(yīng)的決策樹。
[0045] 具體步驟如下：
[0046] -、非洲爪蟾雌激素受體蛋白ERi3的同源建模及評價
[0047] 1、同源建模
[0048] 在 FOB 蛋白庫（http://www. rcsb. org/pdb/home/home. do)中查找，并未發(fā)現(xiàn)有 非洲爪蟾雌激素受體蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。因此在NCBI蛋白序列庫（http://www.ncbi.nlm. nih. gov/)中查找非洲爪蟾（Xenopuslaevis)的雌激素受體蛋白ERa和ERP的氨基酸序 列，發(fā)現(xiàn)它們的氨基酸序列編號分別為：ΝΡ_001083086· 1和ΝΡ_001124426· 1。以氨基酸序 列ΝΡ_001124426. 1為目標(biāo)構(gòu)建ERP蛋白的三維結(jié)構(gòu)模型。具體步驟如下：
[0049] (1)在 NCBI 蛋白序列庫（http://www. ncbi. nlm. nih. gov/)中查找非洲爪蟾 (Xenopuslaevis)的雌激素受體蛋白ERP的氨基酸序列ΝΡ_001124426· 1 ;
[0050] (2)以2J7X為模板，以在NCBI數(shù)據(jù)庫中編號為ΝΡ_001124426. 1的非洲爪蟾ERi3 蛋白的一級氨基酸序列為目標(biāo)，進(jìn)行同源建模。
[0051] 2、評價所建模型
[0052] (1)同源建模過程中，目標(biāo)蛋白和模板蛋白的氨基酸序列比對的一致 性達(dá)到80. 0 %，相似性達(dá)86. 5 %。優(yōu)化后的ERP蛋白的三維結(jié)構(gòu)采用Verify protein(profiles-3D)進(jìn)行打分的值為96. 38,接近最高期望值108. 099。
[0053] (2)將構(gòu)建ER β蛋白的三維結(jié)構(gòu)上傳到網(wǎng)站（http: //mordred. bioc. cam. ac. uk/?rapper/rampage. php)上進(jìn)行在線評價，由拉氏直方圖及其評價結(jié)果可得，位于 合理區(qū)域的氨基酸數(shù)目達(dá)到98. 7 %，而位于不合理區(qū)域的氨基酸數(shù)目占1. 3 %，并且位于 不合理區(qū)域的氨基酸殘基A22、A158、A162均遠(yuǎn)離活性位點區(qū)域，因此，在此所構(gòu)建的ERi3 蛋白的三維結(jié)構(gòu)合理可靠。
[0054] 二、運用分子模擬軟件DS獲取化合物的物理參數(shù)，以及化合物對小鼠和非洲爪蟾 的結(jié)合能（Ebinding)
[0055] 獲取化合物的物理參數(shù)，具體包括以下步驟：通過已有的小鼠蛋白結(jié)構(gòu)運用DS軟 件計算小鼠的各項參數(shù)（包括l〇gP、Jurs-PNSA-2、Jur_PRCS和shadow XY fraction,以及 結(jié)合能），通過同源建模的非洲爪蟾的蛋白結(jié)構(gòu)運用DS軟件計算非洲爪蟾的各項參數(shù)（包 括 logP、Jurs-PNSA-2、Jur-PRCS 和 shadow XY fraction,以及結(jié)合能）。結(jié)果如表 1 所示。
[0056] 其中，測定化合物與小鼠、非洲爪蟾受體蛋白的相互結(jié)合能，包括以下步驟：
[0057] (21)、對所建同源模型加 Charm力場；
[0058] (22)、選擇構(gòu)建同源模型的受體蛋白為受體，根據(jù)同源建模時保留了小鼠的配體 選定結(jié)合區(qū)域；
[0059] (23)、進(jìn)行化合物與受體蛋白的對接；
[0060] (24)、對接結(jié)束后，獲取化合物與小鼠、非洲爪蟾的受體蛋白的相互結(jié)合能。
[0061] 具體數(shù)據(jù)如表1:
[0062] 表1自建數(shù)據(jù)表
[0063]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于決策樹判別環(huán)境中化合物對非洲爪蟾是否具有雌激素效應(yīng)的方法，其特征 在于：包括以下步驟： (1) 對非洲爪蟾雌激素受體蛋白ERi3進(jìn)行同源建模及評價； (2) 運用分子模擬軟件DS獲取化合物的物理參數(shù)，以及化合物對小鼠、非洲爪蟾的結(jié) 合能，分析小鼠-化合物的結(jié)合能與非洲爪蟾-化合物的結(jié)合能的線性關(guān)系； (3) 通過化合物對小鼠的物理參數(shù)和結(jié)合能建立化合物對小鼠有無雌激素效應(yīng)的決策 樹； (4) 利用小鼠和非洲爪蟾結(jié)合能之間的線性關(guān)系，構(gòu)建化合物對非洲爪蟾有無雌激素 效應(yīng)的決策樹。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步驟（1)中，非洲爪蟾雌激素受體 蛋白ERi3的同源建模及評價，包括以下步驟： (11) 以非洲爪蟾的ERP的一級序列為探針，在NCBI數(shù)據(jù)庫中利用protein-protein blast程序搜索PDB蛋白晶體數(shù)據(jù)庫，得到一系列模板蛋白； (12) 以2J7X為模板，以在NCBI數(shù)據(jù)庫中編號為NP_001124426. 1的非洲爪蟾ERi3蛋 白的一級氨基酸序列為目標(biāo)，進(jìn)行同源建模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步驟（2)，獲取化合物與小鼠、非洲 爪蟾受體蛋白的相互結(jié)合能，包括以下步驟： (21) 、對所建同源模型加 Charm力場； (22) 、選擇構(gòu)建同源模型的受體蛋白為受體，根據(jù)同源建模時保留了小鼠的配體選定 結(jié)合區(qū)域； (23) 、進(jìn)行化合物與受體蛋白的對接； (24) 、對接結(jié)束后，獲取化合物與小鼠、非洲爪蟾的受體蛋白的相互結(jié)合能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步驟（2)中，化合物的物理 參數(shù)，包括化合物的疏水性logP、分子間相互結(jié)合的表面正電荷區(qū)域的形狀、電荷信息 Jurs-PNSA-2、Jur-PRCS以及分子寬度的空間參數(shù)shadow XY。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步驟（2)中，獲取化合物的物理參 數(shù)，具體包括以下步驟：通過已有的小鼠蛋白結(jié)構(gòu)運用DS軟件計算小鼠的各項參數(shù)，包括 logP、Jurs-PNSA-2、Jur_PRCS和shadow XY fraction以及結(jié)合能，通過同源建模的非洲爪 蟾的蛋白結(jié)構(gòu)運用DS軟件計算非洲爪蟾的各項參數(shù)，包括logP、Jurs-PNSA-2、Jur-PRCS和 shadow XY fraction 以及結(jié)合能。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（4)中化合物對非洲爪蟾有無 雌激素效應(yīng)的決策樹，包括以下步驟： (41) 、同源建模以非洲爪蟾的ERi3的一級序列為探針，在NCBI數(shù)據(jù)庫中利用 protein-protein blast程序搜索PDB蛋白晶體數(shù)據(jù)庫，得到一系列模板蛋白，以2J7X為模 板，以在NCBI數(shù)據(jù)庫中編號為NP_001124426. 1的非洲爪蟾ERi3蛋白的一級氨基酸序列為 目標(biāo)，進(jìn)行同源建模； (42) 、參數(shù)計算用同源建模建好的模型通過分子對接結(jié)算出化合物的物理參數(shù)logP、 Jur-PNSA-2、Jur-RPCS和shadow XY及分子模擬的結(jié)合能； (43) 、利用matlab中的Decesion Tree模塊建立關(guān)于化合物結(jié)構(gòu)參數(shù)logP、 Jur-PNSA-2、Jur-RPCS、shadow XY，通過非洲爪蟾和小鼠雌激素受體蛋白對接的結(jié)合能的 線性關(guān)系建立有關(guān)非洲爪蟾的決策樹。
【文檔編號】G06F19/00GK104102828SQ201410321359
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】林志芬, 叢永平, 鄭曉峰, 尹大強(qiáng), 陳瑞 申請人:同濟(jì)大學(xué)