基于弹性网络的蛋白去折叠模拟方法研究

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蛋白质折叠是分子生物学中的一个基础性问题。蛋白质折叠机理的研究,对探索生物现象机理以及蛋白质构象病的治疗具有重要意义。前期研究中通过全原子的分子动力学和Monte Carlo的方法对蛋白质折叠和去折叠进行模拟,均可得到良好的构象特征数据和模拟过程,但是以上方法存在耗时较长、可模拟的时间跨度有限以及结果不稳定等问题。本文提出了一种简单快速的蛋白质去折叠模拟方法,该方法基于弹性网络模型、蛋白质构象稳定性分析以及结构模建。本文采用了高斯网络模型Gaussian Network Model(GNM)和各向异性网络模型Anisotropic Network Model(ANM)来区分出蛋白质去折叠过程中的不稳定区域,通过迭代的结构模建(Structure Modeling)方法来获得蛋白质去折叠的轨迹,即一系列中间构象。本文的主要工作包括以下几个方面:  (1)分析弹性网络用于研究蛋白质构象变化的机理,并发现前期的弹性网络研究中的局限性--只能得到残基连接信息,无法完整地呈现去折叠的构象变化。  (2)研究了结构模建的原理,并将该方法与两种弹性网络模型进行组合应用,对去折叠模拟方法进行了改进,得到了蛋白质去折叠构象变化的路径。  (3)在去折叠模拟中发现,部分只具有共价连接的残基在弹性网络的波动性分析中不会被定性为不稳定残基,因此影响了模拟的效果,本文根据这一问题提出了一个不稳定条件,即当某残基的连接数少于4个时,则判定为不稳定残基,并证明了这一改进的有效性。  (4)从RMSD值、去折叠的三维结构和二级结构变化的角度评价本文所提出的方法的科学性,并定位去折叠过程中的过渡态,同时通过残基突变的方式来获得过渡态的Φ值,并与生物实验的Φ值作比较。  本文使用该方法对chymotrypsin inhibitor2(CI2)和α-spectrin SH3 domain(SH3)两个蛋白质进行了模拟,得到的去折叠路径与前期的分子动力学结果一致。此外,实验中还获取到了两个蛋白质在去折叠过程中的过渡态,并在同生物实验值的比较中取得明显的相关性(相关系数超过0.8)。该实验充分说明了本文提出的去折叠模拟方法是一种有效且快速的研究蛋白质去折叠机理的手段。  
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