第10講 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測

第十講蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測中心法則(thecentraldogma)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)功能轉(zhuǎn)錄翻譯?翻譯細胞質(zhì)核糖體氨基酸折疊密碼（foldingcode）又稱“第二遺傳密碼”，蛋白質(zhì)的氨基酸序列與其三維空間結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。破譯折疊密碼：從蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)得到立體結(jié)構(gòu)，即可直接從基因推測其編碼蛋白質(zhì)所對應(yīng)的生物學功能。破解折疊密碼被列為“21世紀的生物學”的重要課題。在生物學研究中，分子的結(jié)構(gòu)是最重要的數(shù)據(jù)它提供很多信息，包括生物分子的功能、作用機制、進化歷史等如何獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)….-Gly-Ala-Glu-Phe-….?解決方法一

：實驗測定….-Gly-Ala-Glu-Phe-….X-射線晶體衍射核磁共振電鏡技術(shù)？20世紀60年代解析一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以獲得諾貝爾獎；20世紀70年代解析一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)則可成為轟動世界的新聞；20世紀80年代解析一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)則可申請到教授的職位；20世紀90年代解析一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)通常可以獲得博士學位；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的發(fā)展YearLaureatePrizeRationale1914MaxvonLauePhysics"ForhisdiscoveryofthediffractionofX-raysbycrystals",[118]animportantstepinthedevelopmentofX-rayspectroscopy.1915WilliamHenryBraggWilliamLawrenceBraggPhysics"FortheirservicesintheanalysisofcrystalstructurebymeansofX-rays",[119]1962MaxF.PerutzJohnC.KendrewChemistry"fortheirstudiesofthestructuresofglobularproteins"[120]1962JamesDeweyWatsonFrancisHarryComptonCrickMauriceHughFrederickWilkinsMedicine"Fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"[121]1964DorothyHodgkinChemistry"ForherdeterminationsbyX-raytechniquesofthestructuresofimportantbiochemicalsubstances"[122]1972StanfordMooreWilliamH.SteinChemistry"Fortheircontributiontotheunderstandingoftheconnectionbetweenchemicalstructureandcatalyticactivityoftheactivecentreoftheribonucleasemolecule"[123]1976WilliamN.LipscombChemistry"Forhisstudiesonthestructureofboranesilluminatingproblemsofchemicalbonding"[124]1985JeromeKarleHerbertA.HauptmanChemistry"Fortheiroutstandingachievementsindevelopingdirectmethodsforthedeterminationofcrystalstructures"[125]1988JohannDeisenhoferHartmutMichelRobertHuberChemistry"Fortheirdeterminationofthethree-dimensionalstructureofaphotosyntheticreactioncentre"[126]1997JohnE.WalkerChemistry"Fortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)"[127]2003RoderickMacKinnonPeterAgreChemistry"Fordiscoveriesconcerningchannelsincellmembranes[...]forstructuralandmechanisticstudiesofionchannels"[128]2006RogerD.KornbergChemistry"Forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription"[129]2009AdaE.YonathThomasA.SteitzVenkatramanRamakrishnanChemistry"Forstudiesofthestructureandfunctionoftheribosome"[130]2012BrianKobilkaRobertLefkowitz

Chemistry"ForstudiesofG-protein-coupledreceptors"[131]X射線晶體學全解析的第一個蛋白質(zhì)

結(jié)構(gòu)－－肌紅蛋白2005年，線粒體膜蛋白復合物2精細結(jié)構(gòu)X射線衍射測定蛋白和核酸精細結(jié)構(gòu)，為新藥設(shè)計提供了全新方向中國科學家研制抗癌新藥首獲瑞典愛明諾夫獎2016.03Lastupdate:TuesdayMar01,2016at4PMPST

數(shù)量大技術(shù)難度高瓶頸實驗測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與一維序列數(shù)據(jù)在量上增長速度嚴重不協(xié)調(diào)解決方法二：結(jié)構(gòu)預(yù)測….-Gly-Ala-Glu-Phe-….蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測：指從蛋白質(zhì)的氨基酸序列預(yù)測出其三維空間結(jié)構(gòu)。Levinthal悖論（Levinthal'sParadox）一個100個氨基酸組成的肽鏈的折疊：假設(shè)：三種可能構(gòu)象/氨基酸殘基3100種不同構(gòu)象；即使：10-13秒（0.1皮秒）/可能構(gòu)想，（一皮秒：十億分之一秒的千分之一）5x1034秒,or1027年(宇宙年齡1010年)CyrusLevinthal(1996)：美國分子生物學家

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的理論基礎(chǔ)：Anfinsen理論(Anfinsen'sdogma)ChristianBoehmerAnfinsen,Jr.(1916–1995)美國生物化學家，1972諾貝爾化學獎獲得者蛋白質(zhì)序列含有蛋白質(zhì)折疊的全部信息！凡人改變世界？Folding@home：（始于2000年10月）分布式蛋白質(zhì)折疊計算，它是眾多分布式計算項目之一，也是最出名、普及最廣泛的之一。它所凝聚的志愿者計算能力，比肩世界最快的超級計算機“天河二號”。Intel、Google、NVIDIA、AMD(前ATI)、索尼、蘋果、戴爾等廠商形成了一個支持Folding@home項目發(fā)展的同盟。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次與結(jié)構(gòu)預(yù)測初級結(jié)構(gòu)(primarystructure)-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)SCOP(StructuralClassificationofProteins)CATH(Class,Architecture,Topology,Homology)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)預(yù)測判斷每一段中心的殘基是否處于-螺旋、-折疊（或其它狀態(tài)）的二級結(jié)構(gòu)態(tài)。1.經(jīng)驗參數(shù)法（Chou-Fasman方法）由Chou和Fasman在70年代提出來。通過統(tǒng)計分析，獲得的每個殘基出現(xiàn)于特定二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象的傾向性因子（P(ɑ-helix)、P(β-sheet)），進而利用這些傾向性因子預(yù)測蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。理論依據(jù)：每種氨基酸出現(xiàn)在各種二級結(jié)構(gòu)中傾向或者頻率是不同的。例如：谷氨酸(Glu,E)：-螺旋(√)纈氨酸(Val,V)：-折疊(√)脯氨酸(Pro,P)：-螺旋(X)氨基酸殘基的構(gòu)象傾向性因子定義：

Pi=Ai/Ti (i=,β,c,t) i表示構(gòu)象態(tài)：如螺旋、β折疊、轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲等；Ti是所有被統(tǒng)計殘基處于構(gòu)象態(tài)i的比例；Ai是第A種殘基處于構(gòu)象態(tài)i的比例；Pi大于1.0表示該殘基傾向于形成二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象i，小于1.0則表示傾向于形成其它構(gòu)象。四個轉(zhuǎn)角參數(shù)，f(i)、f(i+1)、f(i+2)和f(i+3)。這四個參數(shù)分別對應(yīng)于每種殘基出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角第一、第二、第三和第四位的頻率（例如，脯氨酸約有30%出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角的第二位，然而出現(xiàn)在第三位的幾率不足4%）。Chou-Fasman參數(shù)基本思想是在序列中尋找規(guī)則二級結(jié)構(gòu)的成核位點和終止位點。掃描輸入的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)可能成為特定二級結(jié)構(gòu)成核區(qū)域的短序列，然后對于成核區(qū)域進行擴展，不斷擴大成核區(qū)域，直到傾向性因子小于某個閾值（1.0）為止。成核區(qū)延伸延伸ɑ-螺旋Chou-Fasman參數(shù)法預(yù)測二級結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗規(guī)則氨基酸殘基（i）α螺旋規(guī)則（ii）β折疊規(guī)則（iii）轉(zhuǎn)角規(guī)則

(iv)重疊規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則（i）α螺旋規(guī)則沿蛋白質(zhì)序列尋找α螺旋核相鄰的6個殘基中如果有至少4個殘基傾向于形成α螺旋，則認為是螺旋核。從螺旋核向兩端延伸直至四肽片段的α螺旋傾向性因子的平均值{P}<1.0為止。將螺旋兩端各去掉3個殘基剩余部分若長于6個殘基，而且{P}>1.03，則預(yù)測為螺旋。（ii）β折疊規(guī)則相鄰6個殘基中若有4個傾向于形成β折疊，則認為是折疊核。折疊核向兩端延伸直至4個殘基的平均折疊傾向性因子{P}<1.0。若延伸后的片段的{P}>1.05，則預(yù)測為β折疊。在實際運用中有50-60%的準確率，雖然有文章宣稱能達到更高的準確率（數(shù)據(jù)集受限）（iii）β-轉(zhuǎn)角規(guī)則轉(zhuǎn)角的模型為四肽組合模型，要考慮每個位置上殘基的組合概率，即特定殘基在四肽模型中各個位置的概率。在計算過程中，對于從第i個殘基開始的連續(xù)4個殘基的片段，將上述概率相乘，根據(jù)計算結(jié)果判斷是否是轉(zhuǎn)角。如果f(i)×f(i+1)×f(i+2)×f(i+3)大于7.5×10-5，四肽片段Pt的平均值大于100，并且Pt的均值同時大于P

的均值以及P

的均值，則可以預(yù)測這樣連續(xù)的4個殘基形成轉(zhuǎn)角。

2.基于氨基酸疏水性的預(yù)測方法α螺旋的兩親特特征：螺旋的一側(cè)通常處于蛋白質(zhì)的疏水核心，另一側(cè)則常處于親水表面，因此，α-螺旋中親疏水氨基酸殘基的出現(xiàn)位置也就有一定的規(guī)律性，親水殘基多出現(xiàn)在親水側(cè)面，而疏水殘基則多出現(xiàn)在疏水側(cè)面，反映在序列上就是一些特征的親疏水殘基間隔模式。脂肪族疏水性氨基酸極性或帶負電氨基酸帶正電氨基酸432151432α-螺旋的兩親特特征與結(jié)構(gòu)預(yù)測基于氨基酸疏水性的預(yù)測α螺旋的形成規(guī)律：在一段序列中發(fā)現(xiàn)第i、i+3、i+4位（如1、4、5）是疏水殘基時，這一片段就被預(yù)測為α螺旋；當發(fā)現(xiàn)第i、i+1、i+4位（如7，8，11）為疏水殘基時，這一片段也被預(yù)測為α螺旋?；诎被崾杷缘念A(yù)測β折疊的形成規(guī)律：對于β折疊，也存在著一些特征的親疏水殘基間隔模式，埋藏的β折疊通常由連續(xù)的疏水殘基組成，一側(cè)暴露的β折疊則通常具有親水-疏水的兩殘基重復模式。原則上，通過在序列中搜尋特殊的親疏水殘基間隔模式，就可以預(yù)測α螺旋和β折疊。將待預(yù)測的片段與數(shù)據(jù)庫中已知二級結(jié)構(gòu)的片段進行相似性比較，根據(jù)相似性得分以及數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)象態(tài)，構(gòu)建出待預(yù)測片段的二級結(jié)構(gòu)。該方法對數(shù)據(jù)庫中同源序列的存在非常敏感，若數(shù)據(jù)庫中有相似性大于30%的序列，則預(yù)測準確率可大大上升。3.基于多重序列比對的方法（同源法）

序列比對：

T=TNGIY

U=TSGVF

將T的構(gòu)象態(tài)賦予U相似序列→相似結(jié)構(gòu)4.綜合方法多個程序同時預(yù)測

綜合評判，一致結(jié)果雙重預(yù)測：首先預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)類型，然后再預(yù)測二級結(jié)構(gòu)經(jīng)驗參數(shù)法基于氨基酸疏水性的預(yù)測方法同源分析法蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的意義由蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)統(tǒng)計分析得到的規(guī)則可用于全新蛋白質(zhì)設(shè)計或蛋白質(zhì)突變體的設(shè)計。當序列同源性較低時，二級結(jié)構(gòu)的指認有助于確定蛋白質(zhì)間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。在基于二級結(jié)構(gòu)片段堆積的三級結(jié)構(gòu)預(yù)測中正確的二級結(jié)構(gòu)預(yù)測是第一步。二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測有助于多維核磁共振中二級結(jié)構(gòu)的指認，同時也有助于晶體結(jié)構(gòu)的解析。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)在線預(yù)測PHDsecneuralnetworkforsecondarystructureprediction,accesibility,andtrans-membranehelix.Usesmultiplealignments.Reliability~70%.Jpred

uses2neuralnetworksandincludesevolutiveinformation(PSI-BLAST).Theversion2evaluatestheresultsof4networks(JNet,NSSP,Predator,PHD)toimprovereliability.pbio.dundee.ac.uk/jpred/PROFBasedonmultiplealignmentsandotherresiduepropertiesobtainedfromdatabases.Relaibility~70%.PSIpred

Basedonfilteredpsi-blastprofilesandneuralnetworks(combinesreultsfromdifferentmethods).relaibilityis>76%.

PredictProtein

(PHDsec)

PsiPred

JPred

蛋白質(zhì)折疊病同源建模法(Homologymodelling)線索化法/折疊識別法/串線法(Threading/Foldrecognition)從頭預(yù)測法(Abinitio/Denovomethods)蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測

1.同源蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測依據(jù)：任何一對蛋白質(zhì)，如果兩者的序列等同部分超過30%（序列比對長度大于80），則它們具有相似的三維結(jié)構(gòu)，即兩個蛋白質(zhì)的基本折疊相同，只是在非螺旋和非折疊區(qū)域的一些細節(jié)部分有所不同。主要思想：對于一個未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，找到一個已知結(jié)構(gòu)的同源蛋白質(zhì)，以該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為模板，為未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)建立結(jié)構(gòu)模型。搜索結(jié)構(gòu)模型的模板序列比對建立骨架構(gòu)建目標蛋白質(zhì)的側(cè)鏈、環(huán)區(qū)、加入氫原子優(yōu)化模型同源建模的過程將模板結(jié)構(gòu)的坐標拷貝到目標U，僅拷貝匹配殘基的坐標

分子力學分子動力學模擬退火

PDB數(shù)據(jù)庫SWISS-MODEL:

//SWISS-MODEL.html同源建模方法特點繞過了二級結(jié)構(gòu)預(yù)測目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方法中最成功、最準確、使用最多局限是：僅僅是一種技術(shù)手段，而非理論應(yīng)用范圍收已有同源結(jié)構(gòu)的限制Loop區(qū)域準確率差又稱蛋白質(zhì)折疊類型識別依據(jù)：蛋白質(zhì)折疊模式的有限性：一些序列（小于25%，遠程同源）／功能不同的蛋白質(zhì)采用類似的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)折疊模式的種類是有限的。序列中的殘基的結(jié)構(gòu)信息比殘基本身更加保守。蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測

2.線索化方法蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫SCOP(StructuralClassificationofProteins)CATH(Class,Architecture,Topology,Homology)CATH的結(jié)構(gòu)層次主要思想：利用氨基酸的結(jié)構(gòu)傾向（如形成二級結(jié)構(gòu)的傾向、疏水性、極性等），評價一個序列所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是否能夠適配到一個給定的結(jié)構(gòu)環(huán)境中。建立序列到結(jié)構(gòu)的線索的過程稱為線索化，線索技術(shù)又稱折疊識別技術(shù)。具體做法是即將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為含有這三個結(jié)構(gòu)的字符串,然后對這些字符串進行比較。線索技術(shù)的首要任務(wù)是建立核心折疊數(shù)據(jù)庫在預(yù)測蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)時將一個待預(yù)測結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列與數(shù)據(jù)庫中核心折疊進行比對，