本發(fā)明涉及分析蛋白質(zhì)折疊或其他動(dòng)力學(xué)過程中空間結(jié)構(gòu)的變化，尤其涉及一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法，屬于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

蛋白質(zhì)是最重要的生物大分子之一，它在生物體內(nèi)承擔(dān)著物質(zhì)輸運(yùn)、信號(hào)傳遞和能量供給等生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能是由其自然折疊而成的空間結(jié)構(gòu)決定的。實(shí)驗(yàn)上，采用x射線衍射、多維核磁共振等技術(shù)可以測(cè)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。理論上，人們發(fā)展了分子動(dòng)力學(xué)技術(shù)研究蛋白質(zhì)折疊和動(dòng)力學(xué)過程。它通過計(jì)算蛋白質(zhì)分子中原子的運(yùn)動(dòng)軌跡、原子間的相互作用等，在原子尺度上闡明蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)生物學(xué)功能過程中空間結(jié)構(gòu)演化的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制。然而，蛋白質(zhì)分子的組成與結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其折疊和動(dòng)力學(xué)過程涉及大量原子的集體運(yùn)動(dòng)，發(fā)展一些結(jié)構(gòu)分析方法非常必要。目前已發(fā)展了一些理論方法，以及空間結(jié)構(gòu)可視化分析軟件，如cn3d、vmd、jmol等。這些方法和工具在展示蛋白質(zhì)分子三維空間構(gòu)象、揭示結(jié)構(gòu)特征、分析原子或基團(tuán)間相互作用等方面非常有用。但是，它們是對(duì)某一時(shí)刻或某一幀的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，缺乏展現(xiàn)蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)含時(shí)演化的能力。

由于組成蛋白質(zhì)的各種氨基酸主要區(qū)別是側(cè)鏈基團(tuán)，每個(gè)蛋白質(zhì)所具有的獨(dú)特空間結(jié)構(gòu)和功能與側(cè)鏈緊構(gòu)型密相關(guān)。在蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能的過程中，相關(guān)側(cè)鏈構(gòu)型的伴隨變化(如旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)、彎曲等)是一個(gè)重要的方面。因而，在蛋白質(zhì)折疊或其他動(dòng)力學(xué)過程模擬中，分析蛋白質(zhì)的側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)演化顯得非常重要，目前這方面的研究還很少。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)演化是主鏈和側(cè)鏈的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，目前的結(jié)構(gòu)分析工具沒有將主鏈和側(cè)鏈運(yùn)動(dòng)分離，難以觀測(cè)特定側(cè)鏈的構(gòu)象演化，還需要更有效的分析手段和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前還沒有分析蛋白質(zhì)折疊和其他動(dòng)力學(xué)過程中側(cè)鏈結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法。

本發(fā)明所提方法通過計(jì)算蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中氨基酸殘基側(cè)鏈在每一個(gè)時(shí)刻的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，獲得氨基酸殘基側(cè)鏈扭轉(zhuǎn)為主的重要信息。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法，步驟如下：

步驟1：獲取蛋白質(zhì)初始結(jié)構(gòu)；

其中，蛋白質(zhì)初始結(jié)構(gòu)可以從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)銀行(pdb，http://www.rcsb.org)獲取，也可以通過蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的方法與工具獲??；

步驟2：采用步驟1的蛋白質(zhì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行含時(shí)分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡文件，具體為：

以步驟1的蛋白質(zhì)初始結(jié)構(gòu)，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，選擇合適的力場(chǎng)，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行含時(shí)分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到蛋白質(zhì)中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，保存運(yùn)動(dòng)軌跡文件；

其中，力場(chǎng)的一種優(yōu)選方案是全原子力場(chǎng)和聯(lián)合原子力場(chǎng)；

其中，模擬積分步長(zhǎng)取δt飛秒，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行t納秒的分子動(dòng)力學(xué)模擬；每隔w個(gè)積分步輸出一次蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，即每δt×w飛秒記錄一次蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息；運(yùn)動(dòng)軌跡文件共保存k＝(t×10⁶)/(δt×w)個(gè)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)，依次編號(hào)為n＝1,2,3,…,k；

其中，δt、w、k值為大于1的正整數(shù)；

步驟3：從步驟2的蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡文件，提取氨基酸殘基側(cè)鏈，計(jì)算第n時(shí)刻的氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，具體為：

從步驟2得到的蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡文件，獲得第n時(shí)刻蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，輸出坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；從坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件中，提取兩個(gè)待考察氨基酸殘基中主鏈碳原子、側(cè)鏈第一個(gè)碳原子的坐標(biāo)；計(jì)算這四個(gè)碳原子形成的二面角，即為兩個(gè)待考察氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；

其中，第n時(shí)刻對(duì)應(yīng)步驟2中編號(hào)n等于1的時(shí)刻；

其中，主鏈碳原子、側(cè)鏈第一個(gè)碳原子記為cα、cβ，它們從蛋白質(zhì)的氮末端到碳末端根據(jù)氨基酸殘基順序編號(hào)；兩個(gè)待考察氨基酸殘基的編號(hào)記為i和j，i和j為1到m的正整數(shù)，m是蛋白質(zhì)中氨基酸殘基總數(shù)；i表示編號(hào)靠前的氨基酸殘基，j表示編號(hào)靠后的氨基酸殘基，j大于i；j與i的差等于1表示兩個(gè)氨基酸殘基相鄰，j與i的差大于1表示兩個(gè)氨基酸殘基非相鄰；

其中，第i個(gè)氨基酸殘基的主鏈碳原子、側(cè)鏈第一個(gè)碳原子記為cⁱα、cⁱβ；它們坐標(biāo)分別記為rⁱα、rⁱβ；第j個(gè)氨基酸殘基的主鏈碳原子、側(cè)鏈第一個(gè)碳原子記為c^jα、c^jβ；它們坐標(biāo)分別記為r^jα、r^jβ；

兩個(gè)待考察氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，具體通過如下步驟計(jì)算：

步驟3.1計(jì)算第i個(gè)氨基酸殘基的cⁱα原子指向第j個(gè)氨基酸殘基的c^jα原子的單位矢量x^ijα，表述為如下公式(1)：

步驟3.2計(jì)算第i個(gè)氨基酸殘基的cⁱα原子指向側(cè)鏈cⁱβ原子的單位矢量aⁱβ，表述為如下公式(2)：

步驟3.3計(jì)算步驟3.2的單位矢量aⁱβ在步驟3.1的單位矢量x^ijα法平面上的單位投影矢量aⁱ，表述為如下公式(3)：

步驟3.4計(jì)算第j個(gè)氨基酸殘基的c^jα原子指向側(cè)鏈c^jβ原子的單位矢量b^jβ，表述為如下公式(4)：

步驟3.5計(jì)算步驟3.4的單位矢量b^jβ在步驟3.1的單位矢量x^ijα法平面上的單位投影矢量b^j，表述為如下公式(5)：

步驟3.6由步驟3.3和步驟3.5的單位投影矢量aⁱ、b^j，計(jì)算cⁱβ-cⁱα-c^jα-c^jβ原子形成的二面角φ，即第i和j個(gè)氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，表述為如下公式(6)：

cosφ＝aⁱ·b^j(6)

步驟4：計(jì)算第一時(shí)刻后所有時(shí)刻的氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，給出相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化，即：重復(fù)步驟3，并且n對(duì)應(yīng)n＝2,3,…,k，具體為：

從步驟2得到的蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡文件，獲得第一時(shí)刻后所有時(shí)刻的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，輸出相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；采用與步驟3相同的方法，計(jì)算兩個(gè)待考察氨基酸殘基側(cè)鏈在這些時(shí)刻的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，輸出保存這些時(shí)刻相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的值；以時(shí)間為橫軸，相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的值為縱軸，畫出從第一時(shí)刻到最終時(shí)刻氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的變化圖；

其中，兩個(gè)待考察氨基酸殘基與步驟3中的提取過程一致；

其中，第一時(shí)刻后所有時(shí)刻對(duì)應(yīng)步驟2描述中的n＝2,3,…,k時(shí)刻；

至此，從步驟1到步驟4，完成了一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法。

有益效果

一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法，與現(xiàn)有技術(shù)及方法相比，具有如下有益效果：

(1)能夠分析蛋白質(zhì)折疊和其他動(dòng)力學(xué)過程中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的含時(shí)演化；

(2)能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)含時(shí)動(dòng)力學(xué)過程中主鏈和側(cè)鏈運(yùn)動(dòng)分離，分析特定側(cè)鏈的構(gòu)象演化；

(3)不僅能夠分析非相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化，也可分析所有相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化；

(4)對(duì)研究蛋白質(zhì)折疊過程中二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成、蛋白質(zhì)生物學(xué)功能實(shí)現(xiàn)與構(gòu)型變化內(nèi)在聯(lián)系等具有基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值；

(5)便于在與蛋白質(zhì)折疊和動(dòng)力學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)的生命科學(xué)及生物醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

附圖說明

圖1為一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法流程圖；

圖2為原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化過程中l(wèi)eu951與ala955側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角變化計(jì)算的流程示意圖；

圖3為原癌基因c-myc蛋白質(zhì)中l(wèi)eu951與ala955的側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化圖；

圖4是原癌基因c-myc蛋白質(zhì)中所有相鄰氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角在n＝[300-1300]時(shí)刻的演化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例詳細(xì)闡述了本發(fā)明“一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法”在具體實(shí)施時(shí)針對(duì)原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化過程中l(wèi)eu951與ala955側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角變化計(jì)算的流程。

圖1是一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法的流程圖。從圖中可以看出，本方法包含的過程為：步驟(1)：獲取蛋白質(zhì)初始結(jié)構(gòu)；步驟(2)：采用步驟(1)的蛋白質(zhì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行含時(shí)分子動(dòng)力學(xué)模擬，保存蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡文件；步驟(3)：計(jì)算第一個(gè)時(shí)刻的氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；步驟(4)：計(jì)算其他時(shí)刻的氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，給出相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化；

圖2為本實(shí)施例的流程圖，從圖中可以看出，原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化過程中l(wèi)eu951與ala955側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角變化計(jì)算包含如下步驟：

步驟一、從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)銀行(pdb，http://www.rcsb.org)下載代碼為1nkp的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件，提取原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，保存為1nkp.pdb；

步驟二、以步驟一的1nkp.pdb為初始結(jié)構(gòu)，利用gromacs4.6.3軟件，采用gromos53a6力場(chǎng)，對(duì)原癌基因c-myc蛋白質(zhì)進(jìn)行含時(shí)分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到蛋白質(zhì)中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，保存為1nkp_md.trr；

其中，蛋白質(zhì)置于長(zhǎng)方體水盒子中，蛋白質(zhì)到水盒子壁的距離設(shè)為2.0納米；水分子采用spc模型；nacl濃度設(shè)為0.15摩爾/升；模擬中，采用周期性邊界條件；溫度設(shè)為290開，壓強(qiáng)取1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，平衡時(shí)采用berendsen方法控溫控壓，分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)采用vrescale方法控溫、parrinelo-rahman方法控壓；長(zhǎng)程相互作用的截?cái)喟霃饺?.9埃；積分步長(zhǎng)取2飛秒，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行50納秒的分子動(dòng)力學(xué)模擬；

其中，每20皮秒記錄一次蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息，1nkp_md.trr文件中共保存2500個(gè)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)，依次編號(hào)為n＝1,2,3,…,2500，對(duì)應(yīng)著時(shí)間t＝20,40,60,…,50000皮秒時(shí)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)；

步驟三、計(jì)算第1個(gè)時(shí)刻leu951與ala955側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，具體為：

從步驟二得到的蛋白質(zhì)中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡1nkp_md.trr文件，獲得n＝1時(shí)刻蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，提取非相鄰的兩個(gè)氨基酸殘基leu951與ala955中主鏈cα、側(cè)鏈cβ原子的坐標(biāo)r⁹⁵¹α、r⁹⁵¹β、r⁹⁵⁵α、r⁹⁵⁵β；按照發(fā)明內(nèi)容步驟(3)中步驟(3).1到步驟(3).5所述，采用公式(1)到公式(6)，計(jì)算出n＝1時(shí)刻兩個(gè)氨基酸殘基leu951與ala955側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，記為

其中，的下標(biāo)與步驟二中n的編號(hào)一致；

步驟四、計(jì)算第2到2500時(shí)刻leu951與ala955側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，給出相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化，具體為：

從步驟二得到的蛋白質(zhì)中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡1nkp_md.trr文件，獲得n＝2,3,…,2500時(shí)刻蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，提取這些時(shí)刻氨基酸殘基leu951與ala955中主鏈cα、側(cè)鏈cβ原子的坐標(biāo)；在每一個(gè)時(shí)刻，采用發(fā)明內(nèi)容步驟(3)中步驟(3).1到步驟(3).5所述的公式(1)到公式(6)，計(jì)算出兩個(gè)氨基酸殘基leu951與ala955側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，其值按照時(shí)刻編號(hào)順序記為以時(shí)刻編號(hào)n為橫軸，相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的值為縱軸，畫出氨基酸殘基leu951與ala955側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的變化圖；

圖3是原癌基因c-myc蛋白質(zhì)中l(wèi)eu951與ala955的側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化圖；圖中橫坐標(biāo)xaxis是時(shí)刻編號(hào)n，縱坐標(biāo)yaxis是leu951與ala955的側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；圖中實(shí)線是相應(yīng)時(shí)間區(qū)間中相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的平均值，虛線是該時(shí)間區(qū)間中相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的平均波動(dòng)；bend表示彎曲構(gòu)型，turn表示轉(zhuǎn)角構(gòu)型；從圖中相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化可以分析出：n＝[1,400]區(qū)間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角平均值約為0.52，n＝[400,500]區(qū)間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角平均值約為-0.29，n＝[500,700]區(qū)間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角平均值約為0.46，n＝[700,800]區(qū)間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角平均值約為0.30和-0.45；這個(gè)結(jié)果反映出，在該動(dòng)力學(xué)過程中，leu951與ala955的側(cè)鏈開始處于較小的相對(duì)扭轉(zhuǎn)，到n＝[400,500]時(shí)會(huì)出現(xiàn)小的反向相對(duì)扭轉(zhuǎn)，n＝[500,700]會(huì)變回與[1,400]相近的扭轉(zhuǎn)角，[700,800]時(shí)存在正反扭轉(zhuǎn)之間快速變換；

至此，從步驟一到步驟四，完成了原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化過程中l(wèi)eu951與ala955側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角變化計(jì)算。

實(shí)施例2

本實(shí)施例按照本發(fā)明“一種分析蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的方法”的步驟和實(shí)例例1所述流程，闡述原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化過程中所有相鄰氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角變化計(jì)算及其結(jié)果。

原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的含時(shí)動(dòng)力學(xué)演化過程中所有相鄰氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角變化計(jì)算，步驟a、b與實(shí)施例1步驟一、二相同；在進(jìn)行氨基酸殘基側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化計(jì)算時(shí)，需依次選取原癌基因c-myc蛋白質(zhì)的氨基酸殘基對(duì)，方法是從第1個(gè)氨基酸殘基開始按順序選擇：1與2、2與3、3與4、…、m-1與m，遇到甘氨酸殘基跳過不計(jì)，m是蛋白質(zhì)中氨基酸殘基總數(shù)；每個(gè)氨基酸殘基對(duì)的側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角計(jì)算與實(shí)施例1步驟三、四相同；最終給出的是，所有時(shí)刻、所有相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；

圖4是原癌基因c-myc蛋白質(zhì)中所有相鄰氨基酸殘基側(cè)鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角在n＝[300-1300]時(shí)刻的演化圖；圖中橫坐標(biāo)xaxis是時(shí)刻編號(hào)n，縱坐標(biāo)yaxis是的氨基酸殘基編號(hào)；一種優(yōu)選的辦法是，用相對(duì)扭轉(zhuǎn)角值與顏色的對(duì)應(yīng)表示角度值變化，藍(lán)色到紅色依次對(duì)應(yīng)著-π到+π弧度；圖中顯示出，在n＝[560,800]區(qū)間，959-960、960-961、961-962的氨基酸殘基對(duì)的側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角會(huì)明顯增大；在n＝[800,900]區(qū)間，955-956氨基酸殘基對(duì)的側(cè)鏈相對(duì)扭轉(zhuǎn)角也會(huì)變大；

以上所述為本發(fā)明的兩個(gè)典型實(shí)施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。