结构生物信息学第三部分(1)教学资料

1、 能量函数一般包括静电、氢键、空间排斥、范德华相互作用等项。 对数据库中的小分子、来自PDB的蛋白质结构数据等往往需要预处理（包括建立小分子的空间结构模型、确定酸/碱性基团的解离状态、同分异构体的状态、确定原子类型与电荷分布等）。程序 Dock Autodock等序列设计序列设计 设计自发折叠为特定三维结构的氨基酸序设计自发折叠为特定三维结构的氨基酸序列列 在既有三维结构框架上设计具有特定生物在既有三维结构框架上设计具有特定生物学功能的氨基酸序列学功能的氨基酸序列Successes 1997年： 锌指结构域序列的全新设计 2003年：具有全新结构的alpha/beta 蛋白 2003-04年：

2、具有全新配基结合功能的RBP蛋白活性中心设计 2004年：酶的从头设计 2006年：限制性内切酶专一性的重新设计Redesign specificity of I-MsoI蛋白质序列设计的成功实例蛋白质序列设计的成功实例 1997 年年 Caltech的的Mayo等人报导了第一个全序列从等人报导了第一个全序列从头设计的成功例子头设计的成功例子设计模板：锌指蛋白结构域的天然结构设计模板：锌指蛋白结构域的天然结构Dahiyat BI and Mayo SL (1997) Science , 278 , 82-87. 设计序列设计序列天然序列天然序列保留了表面残基的极性以及二级结构边界残基保留了表面

3、残基的极性以及二级结构边界残基对二级结构间堆积的核心进行了重新设计对二级结构间堆积的核心进行了重新设计Dahiyat BI and Mayo SL (1997) Science , 278 , 82-87. 设计序列在目标结构下设计序列在目标结构下核心残基堆积情况核心残基堆积情况蓝色：设计序列的蓝色：设计序列的NMR实验结构实验结构红色：设计目标结构红色：设计目标结构Dahiyat BI and Mayo SL (1997) Science , 278 , 82-87. 二级结构二级结构/超二级结构设计超二级结构设计 螺旋束（螺旋束（helix bundel） 4-helix bundel B

4、eta-hairpin trp-cage 2003年年Baker等报道了计算机设计的一个等报道了计算机设计的一个能自发折叠为全新结构的序列（能自发折叠为全新结构的序列（TOP7）实测结构与设计目标实测结构与设计目标主链主链RMSD1.17埃埃B.Kuhlman et al, Science, 2003,302，1364 预测结构与实测结构的对比预测结构与实测结构的对比B.Kuhlman et al, Science, 2003,302，1364 03-04年年Helliga等对细菌核糖结合蛋白活性等对细菌核糖结合蛋白活性中心进行了一系列成功的全新设计中心进行了一系列成功的全新设计天然天然RBP

5、是细菌胞外趋化效是细菌胞外趋化效应的感受蛋白应的感受蛋白L L. Looger et al, 2003, Nature, 423，185-重新设计后重新设计后RBP的目标配基的目标配基L L. Looger et al, 2003, Nature, 423，185-M. A. Dwyer et al, PNAS,2003,100，11255-M. Allert et al, PNAS, 2004, 101，7907设计的蛋白具有在体传递目标配基信号的活性设计的蛋白具有在体传递目标配基信号的活性M. A. Dwyer et al, PNAS,2003,100，11255-L L. Looger

6、et al, 2003, Nature, 423，185-全新的酶的设计全新的酶的设计天然的磷酸丙糖异构酶（天然的磷酸丙糖异构酶（TIM）R. Sterner and FX. Schmid, Science 2004, 304,1916M. A. Dwyer,2004, Science,304,1967-天然天然TIM的的 催化机制催化机制设计的具有催化活性的全新设计的具有催化活性的全新TIM烯二醇中间体烯二醇中间体催化残基催化残基重新设计重新设计的位点的位点定向进化定向进化突变位点突变位点M. A. Dwyer,2004, Science, 304,1967-全新全新TIM的一些酶学特征的一

7、些酶学特征序列设计的原理序列设计的原理能量模型能量模型构象自由度的选择构象自由度的选择构象采样构象采样/优化优化序列优化序列优化能量模型能量模型结构预测结构预测构象空间内的优化构象空间内的优化给定序列，寻找最给定序列，寻找最低能量构象低能量构象序列空间内的优化序列空间内的优化给定部分构象状态给定部分构象状态（如主链结构）（如主链结构）找到最低能量的序列找到最低能量的序列序列序列结构结构序列设计序列设计优化问题优化问题固定主链结构的序列设计侧链构象的rotamer（构象子）模型氨基酸侧链二面角的构象可以划分为反式、正交叉、反交叉等不同的、离散的状态构象子：侧链具有的代表性的构象态。构象子的数目：

8、取决于离散时所采取的粒度。代表性的构象子库： Dunbrack等各类构象子在天然蛋白中出现的频率不同。并且与主链构象、残基类型等有关。序列设计的基本原理 假设每个位点可以由不同的构象子占据。 寻找具有最低能量的构象子组合方式。能量函数、组合优化问题能量函数 构象子与主链的相互作用能 构象子之间的相互作用能 溶剂化能 构象子自身的能量能量函数 空间位阻 氢键 范德华相互作用 构象子能量 溶剂化能组合优化 死端消除：20-30个位点总能量可以写成各构象子（在给定环境中）的能量以及构象子间两两相互作用能的加和。保证找到最低能量组合。 迭代优化： 上百个位点找到近似解 模拟煺火、进化算法等程序 Ros

9、ettaDesign 采用Rosetta能量函数 容许对主链构象进行优化 对构象子进行连续优化 采取模拟煺火算法 Egad 采用进化算法实现优化 近似考虑溶剂效应例：Hellinga等采用的流程Receptor designEnzyme designBakers Rosetta DesignMayos approach/关键问题关键问题 能量模型的精度能量模型的精度 （与物理化学、统计建模密切相关）（与物理化学、统计建模密切相关） 采样与优化问题采样与优化问题 （与统计力学、算法、高性能计算等密切相关）（与统计力学、算法、高性能计算等密切相关

10、）获得对蛋白质结构规律的认识获得对蛋白质结构规律的认识的两条途径的两条途径从物理化学原理出发从物理化学原理出发驱动蛋白质折叠的微观相互作用的物理实质驱动蛋白质折叠的微观相互作用的物理实质从实验观察出发从实验观察出发实验观察到的蛋白质结构表现出来的特有规律实验观察到的蛋白质结构表现出来的特有规律二者应该殊途同归（1）建立适用于蛋白质结构预测与分子设计的定量模型）建立适用于蛋白质结构预测与分子设计的定量模型（2）阐明蛋白质作为微观分子机器工作的分子动力学机制）阐明蛋白质作为微观分子机器工作的分子动力学机制从分子物理的角度看蛋白质体系的特殊性 自由度（构象自由度）数目巨大 维系三维结构与支配分子动力

11、学的是物理化学意义上的弱相互作用氢键、范德华力、极性/疏水溶剂效应 焓和熵对蛋白质的自由能面往往有同等重要的影响由于这些特殊性，完全从物理化学原理建立实用的定量模型是非常困难的。当前模型的成功之处 实验观察-局部构象的偏好性 来源于大量高分辨晶体结构的侧链转动构象态模型（rotamer）。 从物理化学原理： 范德华相互作用、氢键等的近似形式- 通过对实验结构预测、序列设计进行优化 溶剂效应的定量模型：当前模型中最弱的部分。把对蛋白质结构原理的一些定性认识作为设计的约束条件或者对设计结果进行经验筛选的条件（post processing） 复杂分子体系的设计和控制是可以实现的目标。 在追求用第一

12、性原理对物质结构进行完美描述的同时，我们也必须意识到复杂分子体系的特殊性和理论的局限性 针对复杂分子体系的计算科学： 理论-模型的基本框架 实验-补充理论在精度/完整性方面的空缺 -建立针对实际问题的可计算模型 -实验验证 今后的前沿？ 在前述先驱工作基础上建立更普适、成功率更高的模型与方法 以序列设计为工具解决一系列重要科学问题。/分子力学力场的精度问题 疏水效应、紧密堆积效应与亲水效应等的平衡模型不仅要正确描述微观结构，还应当能够正确复现： 小分子体系凝聚态的重要物性（密度、 溶液结构、热容、介点性质、超额自由能等） 小分子的水化自由能

13、通过结构预测、序列设计等进行检验如新的分子力学力场：OPLS-aa 、GROMOS53等把凝聚态的超额自由能、水化自由能等作为优化力场的重要指标。对局部构象更高精度的描述 分子动力学模拟：天然结构结构涨落偏差埃在一定程度上高估了局部构象的柔性主链二面角：模拟的容许区实验观察氢键：缺乏取向依赖性描述静电效应的更好模型在发展中尽管如此，目前的分子力学力场离尽管如此，目前的分子力学力场离ab initiofolding的精度已经较为接近的精度已经较为接近 小肽对二级结构的偏好性部分小肽的天然结构能够成功被模拟。在一些模拟无法再现天然结构的例子中，模拟也能够成功再现局部二级结构的偏好性。在一些从头设计的成功应用中，分子力学力场是主要考虑方面之一。序列设计中的采样/优化问题 构象的离散表示Dunbrack 等的rotamer 模型R