同源建模詳細(xì)講解整理版

1、西大Song 2013.5.3,結(jié)構(gòu)生物學(xué)與同源建模,報(bào)告內(nèi)容,1、同源建模的基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)生物學(xué) 2、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)之同源建模 3、同源建模的基本步驟 4、同源建模常用軟件介紹-在線服務(wù)器 5、同源建模常用軟件介紹-Modeller 6、模型質(zhì)量檢測(cè),1、結(jié)構(gòu)生物學(xué),結(jié)構(gòu)生物學(xué)是以生物大分子特定空間結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的特定運(yùn)動(dòng)與生物學(xué)功能的關(guān)系為基礎(chǔ)，來(lái)闡明生命現(xiàn)象及其應(yīng)用的科學(xué)。 以生物大分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的確定作為手段，研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，探討生物大分子的作用機(jī)制和原理作為研究目的。,三維結(jié)構(gòu),折疊,進(jìn)化關(guān)系,晶體或高濃度溶液中蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu),突變、單核苷酸及保守殘基的分布,蛋白質(zhì)配體復(fù)合物

2、,不同基團(tuán)的相關(guān)性,形態(tài)和靜電屬性,表面殘基暴露與分子構(gòu)成,推測(cè)相互作用界面,晶胞堆積,抗原位點(diǎn)及表面修飾,縫隙（酶活性位點(diǎn)）,催化簇/結(jié)構(gòu)功能motif催化機(jī)制,配體和功能位點(diǎn),生物 多聚態(tài),總結(jié)來(lái)說(shuō),三維結(jié)構(gòu),功能,作用機(jī)制,分子間互作,功能注釋,指導(dǎo)實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證功能,確認(rèn)功能位點(diǎn),設(shè)計(jì)和改造 蛋白,藥物靶標(biāo)設(shè)計(jì),X- 射線晶體衍射（X-ray）,多維核磁共振（ NMR ）,冷凍電子顯微鏡,結(jié)構(gòu)生物學(xué)主要研究方法,高濃度水溶液 精確度X-ray,晶體，準(zhǔn)確度最高,細(xì)胞和細(xì)胞器,PDB數(shù)據(jù)庫(kù),蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein Data Bank,PDB）是一個(gè)生物大分子(如蛋白質(zhì)和核酸)數(shù)據(jù)庫(kù),

3、內(nèi)容包括由全世界生物學(xué)家和生物化學(xué)家上傳的蛋白質(zhì)或核酸的X光晶體衍射或者NMR核磁共振結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。 截止2013.4.28，PDB數(shù)據(jù)庫(kù)已測(cè)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)87368，而該庫(kù)中包含的一級(jí)序列有2200W。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足研究需要，于是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)就成為研究結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一個(gè)有效手段。,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)之同源建模,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法： 同源建模，折疊識(shí)別和從頭計(jì)算。 同源建?；驹恚?1、一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)由其氨基酸序列唯一的決定。由一級(jí)結(jié)構(gòu)，在理論上，足以獲取其二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)。 2、三級(jí)結(jié)構(gòu)的保守型遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一級(jí)結(jié)構(gòu)的保守型。 應(yīng)用限制：模板蛋白和目標(biāo)蛋白的序列一致性需要大于30%

4、,同源建模的基本步驟,1、模板蛋白搜索 PDB數(shù)據(jù)庫(kù)、BLAST(或PSI-BLAST) 、獲取模板（一個(gè)或多個(gè)） 2、比對(duì)結(jié)果的校正 3、主鏈生成 4、環(huán)區(qū)建模 5、模型優(yōu)化 6、合理性檢測(cè),同源建模在線服務(wù)器,Swiss-model,I-TASSER,HOMCOS 1.0,ESyPred3D,同源建模軟件,圖形化軟件,Pymol,PDB-viewer,Jmol,Rasmol,SWISS-MODEL,SWISS-MODEL: 網(wǎng)址/ 非專業(yè)人士應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)在線建模服務(wù)器。 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、自動(dòng)化、對(duì)學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)免費(fèi)。,Automated m

5、ode,Automated mode:自動(dòng)模式，可以稱為是最傻瓜的方式 提交自己的氨基酸序列+郵箱即可 適用：一致性較高時(shí),郵箱,模型命名,氨基酸序列,Swiss-port/TrEMBL登錄號(hào),Alignment mode,Alignment mode: 比對(duì)模式 提交目標(biāo)蛋白與模板蛋白的序列比對(duì)結(jié)果(FASTA,MSF,ClustalW等格式) 適用：1、較高的相似性 2、利用Auto模式未必能找到最合適模板的情況 3、使用者有目的的使用特定的模板蛋白 (比如具有更為相似的活性位點(diǎn)結(jié)果，而不是更為相似的整體結(jié)構(gòu)),郵箱,模型命名,比對(duì)后的序列,比對(duì)文件,Project mode,Projec

6、t mode:項(xiàng)目模式 難以直接通過(guò)序列比對(duì)獲得模板 需要人工插入調(diào)節(jié)(借助蛋白結(jié)構(gòu)編輯軟件deepview) 可以將前兩種模式模建出的蛋白進(jìn)行人為調(diào)整 適用：相似性不高,I-TASSAR,I-TASSAR: /I-TASSER/ *也可以下載本地安裝包 評(píng)價(jià)：根據(jù)結(jié)果質(zhì)量檢驗(yàn)，該服務(wù)器應(yīng)該是自動(dòng)建模的軟件里是結(jié)果最詳細(xì)的，二級(jí)結(jié)構(gòu)、top10模型、配體結(jié)合位點(diǎn)等等。 缺點(diǎn)：計(jì)算結(jié)果時(shí)間比較長(zhǎng) 結(jié)果需要進(jìn)一步優(yōu)化,HOMCOS 1.0,HOMCOS 1.0：tein.osaka-u.ac.jp/

7、homcos/,同源二聚體建模,異源二聚體建模,識(shí)別可能的互作蛋白,ESyPred3D,ESyPred3D ：http:/www.unamur.be/sciences/biologie/urbm/bioinfo/esypred/ 評(píng)價(jià)：自動(dòng)建模預(yù)測(cè)服務(wù)程序，ESyPred3D在目標(biāo)-模板比對(duì)這一步做出的結(jié)果較好,且在預(yù)測(cè)序列與模板序列相似度差時(shí)有較好的模型預(yù)測(cè)效果。,Modeller,該軟件由Sali lab開(kāi)發(fā)，目前最新的版本是9.11，可在win下和linux運(yùn)行，需要對(duì)應(yīng)版本的python （3.0）。完全免費(fèi)。 主要功能包括：多聚體建模，二硫鍵建模，雜原子建模等(配體、輔酶等)。自帶一

8、套模建結(jié)構(gòu)后的優(yōu)化、分析。 But！ 該軟件完全是命令行模式，操作相對(duì)復(fù)雜，可控制的地方多。,Easymodeller,對(duì)于習(xí)慣于GUI的我們來(lái)說(shuō)，modeller操作不太方便。 于是。 印度 Hyderabad大學(xué)的一位牛人Kuntal Kumar Bhusan為其編寫(xiě)了一個(gè)GUI界面，即為Easy Modeller。EasyModeller，目前最新版本為4.0。 之后，又有SWIFT MODELLER，UCSF Chimera interface *注： 圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）,1、指定工作目錄,2、輸入氨基酸序列,3、加載模板信息（可指

9、定加載某條鏈，可加載多模板）,4、多重序列比對(duì)（可編輯比對(duì)結(jié)果）,5、生成模型（自動(dòng)Loop建模，手工Loop建模）,6、優(yōu)化模型,Easymodeller 2.0,氨基酸序列,提交模板序列,工作目錄,多重序列比對(duì),模型優(yōu)化,命令信息顯示窗口,模型生成,同源模建結(jié)果評(píng)價(jià)與改進(jìn)策略,同源模建結(jié)果的評(píng)價(jià) PROCHECK 、 WHATCHECK 、ERRAT 、 Verify_3D 、PROVE UCLA-DOE的SAVES服務(wù)器包括了這五種常用的檢測(cè) 其網(wǎng)址為：/SAVES/ 除SAVES外，Molprobity也是一個(gè)常用的在線模型分析工具

10、，其網(wǎng)址為：/index.php,PROCHECK: 以PDB中高分辨的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)為參考，給出提交模型的一系列立體化學(xué)參數(shù)（主鏈）。其輸出的結(jié)果包括：拉氏圖，主鏈的鍵長(zhǎng)與鍵角，二級(jí)結(jié)構(gòu)圖，平面?zhèn)孺溑c水平面之間的背離程度等。 WHATCHECK:包含大量的檢測(cè)項(xiàng)，可以針對(duì)提交的蛋白結(jié)構(gòu)與正常結(jié)構(gòu)之間的差異，產(chǎn)生一個(gè)非常長(zhǎng)而且詳細(xì)的報(bào)告。 ERRAT: 計(jì)算0.35 nm范圍之內(nèi)，不同原子類型對(duì)之間形成的非鍵相互作用的數(shù)目（側(cè)鏈）。原子按照C、N、O/S進(jìn)行分類，所以有六種不同的相互作用類型：CC、CN、CO、 NN、 NO、 O

11、O。得分85比較好。,Verify_3D:比較模型和氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，獲得PASS評(píng)價(jià)即可。 PROVE: 與預(yù)先計(jì)算好的一系列標(biāo)準(zhǔn)體積之間的差別。用Z-score 來(lái)表示。Z-score作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)值，可以顯示模板蛋白質(zhì)和待測(cè)蛋白之間的匹配程度，當(dāng)Z-score較低時(shí)，就意味著沒(méi)有匹配搜索的結(jié)構(gòu),實(shí)例,以我研究的APS kinase的模型進(jìn)行實(shí)例講解：,BLAST-P,PDB數(shù)據(jù)庫(kù),尋找最合適模板 3UIE和4FXP（53%）,EsayModeller 多模板建模,SAVES檢測(cè)模型質(zhì)量,Chiron 模型優(yōu)化,SAVES再次檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型名稱,貼入序列,加載模板（PDB文件）,模板對(duì)

12、齊,多重序列比對(duì),生成模型,模型優(yōu)化,自動(dòng)Loop建模,手動(dòng)Loop建模,模型名稱,Manual Loop modeling,Loop優(yōu)化的起始?jí)A基,加載一個(gè)需要優(yōu)化的PDB模型,Loop優(yōu)化的結(jié)束堿基,手動(dòng)Loop建模后模型的文件,Advanced Optimization Options,加載優(yōu)化的模型,自動(dòng)優(yōu)化模型,生成分子動(dòng)力學(xué)軌跡(用VMD或CHIMERA打開(kāi)查看),繪制模型的能量圖,DOPE(Discrete Optimized Protein Energy) Energy,模型質(zhì)量檢驗(yàn),模型提交SAVES服務(wù)器（Structural Analysis and Verificati

13、on Server）進(jìn)行檢驗(yàn),PROCHECK,PROCHECK：本部分主要需要的是拉氏圖（Ramachandran Plot），可下載ps格式、PDF格式以及JPG格式。落在核心區(qū)+允許區(qū)+最大允許區(qū)的堿基百分比大于95%的模型質(zhì)量很好。,Verify_3D,78.74% of the residues had an averaged 3D-1D score 0.2,ERRAT,Overall quality factor值越高越好，一般高解析度的晶體結(jié)構(gòu)該值可以達(dá)到95，而對(duì)于解析度一般的來(lái)說(shuō)該值只能到91左右。本例中的ERRAT值為68.280, 還需要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。,Chiron進(jìn)行優(yōu)化,我們考慮采用計(jì)算量較少的Chiron服務(wù)器對(duì)模建結(jié)構(gòu)的clash進(jìn)行處