一種利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法

2024-04-03 07:51:05

專利名稱：一種利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法，尤其涉及一種利用NAMD_2.6和VMD-1.8.5軟體研究蛋白質的轉錄因子之間相互作用的方法。
背景技術：
蛋白質相互作用是生命活動過程的關鍵步驟，如多轉錄因子的協同調控、蛋白質的摺疊及酶的合成、分子識別及信號分子的轉導、免疫反應等。常規的實驗方法採用測定反應平衡常數來檢測蛋白質之間的結合強度，也可通過原子力顯微鏡，對單分子進行操作，將蛋白質彼此分開為解離過程提供信息。但是無論是測定反應平衡常數還是用原子力顯微鏡進行操作都不能很好的揭示蛋白質間的非鍵相互作用，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。
自1977年McCammon J.A.等首次用分子動力學的方法研究蛋白質至今，分子動力學模擬的計算方法迅速發展，模擬的體系從最初的數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、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計算軟體和VMD-1.8.5分析軟體在PC機上進行分子動力學模擬，目前國內外未見報導。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明要解決的問題是提供一種利用NAMD_2.6_Linux-i686計算軟體和VMD-1.8.5分析軟體(http//www.ks.uiuc.edu/Research/namd/)在普通PC機上模擬蛋白質相互作用的方法。
本發明所述的方法，按如下步驟進行(1)從PDB資料庫獲得含有一條或多條肽鏈的蛋白質結構；(2)利用VMD-1.8.5軟體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，並且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系製成含有非氫原子空間位置數據的結構，命名為ionized.pdb，同時將該體系製成含有氫原子以及氫鍵參數的結構，命名為ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟體，採用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的球形空間內的其它原子對該原子的範德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內的其它原子對該原子的電場力，計算完成後得到各原子的運動軌跡，命名為minimize.dcd；(4)然後，固定肽鏈中的所有原子，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，結果體系逐漸升溫並穩定到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，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，採用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、範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)中的計算結果minimize.dcd、heat.dcd、equ100.dcd、equ50.dcd、equ20.dcd、equ10.dcd和simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟體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的構象變化過程；(9)找出蛋白質構象變化過程中起關鍵作用的胺基酸殘基。
上述的利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法中步驟(4)中所述的體系穩定溫度優選為310K。
利用本發明所述的方法進行蛋白質相互作用的模擬與傳統方法相比具有明顯的優越性(1)對範德華力和電場力的計算精度高，計算範圍分別為10和12，而傳統方法大都使用9；(2)不需藉助於大型計算機和高性能計算中心，設備要求低，在普通PC上即可進行；(3)CPU利用率高，在沒有幹擾的情況下利用率可達到95％以上；(4)所用機時短，對於3萬到4萬個原子的體系在雙核Pentium4 3.0G Hz處理器、1G內存、Redfleg Desktop 5.0作業系統的PC機上約一周時間即可；(5)結果準確可靠；(6)便於在與分子識別和蛋白質動力學行為相關的生命科學和物理化學以及醫藥領域廣泛應用。


圖1 HMG結構域和POUs結構域的初始態和終態構象圖中A為模擬之前Sox的HMG結構域和Oct4的POUs結構域的相對位置和構象，B為模擬之後兩者的相對位置和構象(HMG結構域在上面，POUs結構域在下面)。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明實施例1(1)從PDB資料庫(http//www.rcsb.org/pdb/home/home.do)獲得代碼為1o4x的蛋白質結構命名為1o4x.pdb；(2)利用VMD-1.8.5軟體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，並且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系製成含有非氫原子空間位置數據的結構，命名為1o4x_ionized.pdb，同時將該體系製成含有氫原子以及氫鍵參數的結構，命名為1o4x_ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟體，採用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的球形空間內的其它原子對該原子的範德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內的其它原子對該原子的電場力，計算完成後得到各原子的運動軌跡，命名為1o4x_minimize.dcd；(4)然後，固定肽鏈中的所有原子，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，結果體系逐漸升溫並穩定到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，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，採用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、範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軟體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的構象變化過程，初始態和終態構象見圖1；(9)找到蛋白質構象變化過程中起關鍵作用的胺基酸殘基HMG的ASP274和POUs的LYS18。
實施例2(1)從PDB資料庫(http//www.rcsb.org/pdb/home/home.do)獲得代碼為1JLU的蛋白質結構命名為1JLU.pdb；(2)利用VMD-1.8.5軟體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，並且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系製成含有非氫原子空間位置數據的結構，命名為1JLU_ionized.pdb，同時將該體系製成含有氫原子以及氫鍵參數的結構，命名為1JLU_ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟體，採用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的球形空間內的其它原子對該原子的範德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內的其它原子對該原子的電場力，計算完成後得到各原子的運動軌跡，命名為1JLU_minimize.dcd；(4)然後，固定肽鏈中的所有原子，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，結果體系逐漸升溫並穩定到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，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，採用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、範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軟體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的構象變化過程；(9)找到蛋白質構象變化過程中起關鍵作用的胺基酸殘基。
實施例3(1)從PDB資料庫(http//www.rcsb.org/pdb/home/home.do)獲得代碼為1HN2的蛋白質結構命名為1HN2.pdb；(2)利用VMD-1.8.5軟體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，並且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系製成含有非氫原子空間位置數據的結構，命名為1HN2_ionized.pdb，同時將該體系製成含有氫原子以及氫鍵參數的結構，命名為1HN2_ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟體，採用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的球形空間內的其它原子對該原子的範德華力，每4fs計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內的其它原子對該原子的電場力，計算完成後得到各原子的運動軌跡，命名為1HN2_minimize.dcd；(4)然後，固定肽鏈中的所有原子，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，結果體系逐漸升溫並穩定到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，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，採用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、範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軟體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的構象變化過程；(9)找出蛋白質構象變化過程中起關鍵作用的胺基酸殘基。
權利要求
1.一種利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法，按如下步驟進行(1)從PDB資料庫獲得含有一條或多條肽鏈的蛋白質結構；(2)利用VMD-1.8.5軟體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，並且使其距離水箱各壁的最小距離為10，得到肽-鹽溶液體系，將該體系製成含有非氫原子空間位置數據的結構，命名為ionized.pdb，同時將該體系製成含有氫原子以及氫鍵參數的結構，命名為ionized.psf；(3)利用NAMD_2.6_Linux-i686軟體，採用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的球形空間內的其它原子對該原子的範德華力，每4飛秒計算一次以各原子為球心、半徑為12的球形空間內的其它原子對該原子的電場力，計算完成後得到各原子的運動軌跡，命名為minimize.dcd；(4)然後，固定肽鏈中的所有原子，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，結果體系逐漸升溫並穩定到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，採用與(3)中相同的力場、周期性邊界條件、範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，採用與(5)相同的力場、周期性邊界條件、範德華力和電場力計算方法、控溫控壓方法，將PME grid邊長設置為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)中的計算結果minimize.dcd、heat.dcd、equ100.dcd、equ50.dcd、equ20.dcd、equ10.dcd和simulate.dcd載入VMD-1.8.5軟體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的構象變化過程；(9)找出蛋白質構象變化過程中起關鍵作用的胺基酸殘基。
2.如權利要求1所述的利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法，其特徵是步驟(4)中所述的體系穩定溫度為310K。
全文摘要
本發明公開了一種利用計算機模擬蛋白質相互作用的方法。該方法利用NAMD_2.6_Linux－i686計算軟體和VMD－1.8.5分析軟體在PC機上進行分子動力學模擬，首先將PDB資料庫的蛋白質結構製成適當的研究體系，然後對該體系進行能量最小化處理，將體系加熱到設定溫度後，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，最後研究蛋白質在設定條件下所有原子的運動軌跡、構象變化和變化過程中起關鍵作用的胺基酸殘基。該方法不需藉助於大型計算機和高性能計算中心，設備要求低，CPU利用率高，所用機時短並且結果準確可靠，便於在與分子識別和蛋白質動力學行為相關的生命科學和物理化學以及醫藥領域廣泛應用。
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 優先權日2007年5月11日
發明者時永香, 連鵬, 張楠, 劉潔 申請人:山東大學