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 北京市计算中心生物计算事业部蛋白相关业务

 

生物分子相互作用研究包括两方面:一是生物大分子之间的相互作用以及生物大分子与小分子之间的相互作用,例如抗体与受体之间的相互作用以及酶与小分子之间的作用;二是筛选与生物大分子最契合的小分子,例如筛选出与蛋白质作用位点相匹配的小分子。生物分子互作研究在药物设计和药物分子筛选优化具有重要作用。

业务一,蛋白建模

由基因到蛋白,由蛋白到功能是一个密不可分的过程,因而蛋白结构的获得是其功能分析的前提。由给定的基因序列或氨基酸序列,通过相关建模软件可得到相关蛋白的三维结构。建模原理流程如下:由目标蛋白序列搜索其同源蛋白作为模板,经过序列对比,确定模板蛋白,经过主链、侧链、环状区域构建及能量最小化获得蛋白结构。流程:

蛋白结构图

蛋白结构图

业务二,分子对接

蛋白质发挥相应的生物学功能一定是与其有相互作用的分子(蛋白、核酸、小分子等)发生相互作用后实现的,因此可以由分子对接方法分析蛋白与其相互作用分子间的相互作用。流程:

 

案例:磷酸脱羧酶BMP分子的相互作用研究

 

BMP分子

BMP分子(如上图)采用PubChem 获出,磷酸脱羧酶PDB数据库下载得到。采用autodock4.2 程序进行半柔性对接(flexible docking),生成50个不同的构象取向(orientation)以及获得配体与受体的静电和范德华相互作用,并由此计算得到Grid 打分。通过能量打分分析,得到打分最佳的构象。对打分最佳的构象进行相互作用分析。

 

蛋白与小分子相互作用图

 

分子对接分类图

图注:分子对接主要分为三大类(蛋白与蛋白、核酸、小分子)

 

蛋白与蛋白对接结果图

图注:不同视角查看蛋白与蛋白对接结果

 

蛋白与核酸对接结果图

图注:不同状态下蛋白与核酸对接结果

 

蛋白与小分子对接结果图

图注:不同状态下蛋白与小分子对接结果

业务三,分子动力学模拟

任何蛋白生物学功能的发挥一定发生在一个特定的时间和过程中,相互作用的分析一定在基于特定的相互作用过程。可以由分子动力学模拟的方法来分析蛋白与其它分子的相互作用。流程:

 

 

案例:研究blgIgE蛋白之间的相互作用。用AMBER14软件做分子动力学模拟。整个蛋白体系都采用gaffff14SB力场,以蛋白为中心,加10Å的立方水盒子,加Na+使体系呈电中性,保存拓扑和坐标结构,然后进行模拟。过程主要包括设定两步的能力最小化过程,系统的平衡计算过程,无限制的分子动力学优化模拟过程,得到两者复合物并进行相互作用分析及能量分析。

 

蛋白与蛋白对接结果图

 

 

蛋白与蛋白相互作用图

 

 

蛋白与蛋白能量分解图

 

 

 

业务四,药物筛选及设计

任何新药的研发都需要相当长的一段时间,尤其从实验到临床的新药研发周期很长,因此可以借助于计算机的药物筛选并进行相关设计,之后再进行实验验证,进而可实现大大缩短药物研发的周期。案例:由已知目标蛋白从相应数据库筛选备用的药物并可以依据计算结果对其进行改造设计,使其相互作用更强。

 

 

药物筛选流程示意图

基于分子对接的小分子化合物的虚拟筛选是目前最有潜力的药物开发工具,可以有效的节约时间和费用,辅以计算辅助药物设计,基本可以确保发现新的先导化合物。北京市计算中心生物计算事业部已在超算集群上部署了虚拟筛选平台该平台能实现虚拟筛选和反向虚拟筛选。

该平台是目前国内最大的in silico药物筛选平台之一。该平台拥有全球最大的市场上可购买的小分子化合物库、FDA批准的药物、天然产物库、中草药成分库等大数据量数据库,可供客户进行靶蛋白潜在的作用药物的筛选。

业务五,网络药理学分析

药物的作用靶点往往不是单一的,因此由计算机辅助药物筛选得到相应的备选药物的作用靶点在很大程度上也不是唯一的,因此可以通过相应的网络分析,进而得到药物可能作用的所以靶点信息,进而为后续药物作用机理的解释提供更多的数据支撑。案例:由药物分子信息通过一定的生物信息相关分析,进而获得药物分子可能作用的靶点及相关的疾病信息及通路信息。

 

药物-靶基因-疾病网络图

图注:相关药物成分作用于靶基因及其相关疾病

 

以上五个业务板块是蛋白密切相关的板块,我们可以给客户提供未知蛋白结构的模型、蛋白与其他分子互作的分子对接计算及相互作用分析、蛋白与其他分子互作的分子动力学计算、基于特定靶标的药物筛选计算、中药复合成分的网络药理学研究,以上涉及的互作等分析结果均可提供。

 

部分相关案例

1,生物分子的功能决定于其分子结构,从微观上讲即决定于蛋白质的分子结构,从宏观上讲,疾病的发生与治疗决定于生物分子的功能。 蛋白质结构的突变扰动揭示了蛋白质结构网络、折叠、功能和变构的位置特异性和环境依赖性信息。2019年来自印度马德拉斯理工学院生物科学学院的Athi N. Naganathan课题组在Biochemistry上发表了题为Controlling Structure and Dimensions of a Disordered Protein via Mutations”的研究论文,通过蛋白建模突变探讨了无序蛋白CytR DNA结合结构域的结构变化。

 

1. CytRDNA结合域结构

图注:蛋白结构突变导致CytRDNA结合域结构的变化

2,蛋白-蛋白之间的相互作用对生命体的特征指标同样有着重要作用。2020克Minhong Yan(严民宏)博士团队在Immunity杂志在线发表了题为Blockade of the Phagocytic Receptor MerTK on Tumor-Associated Macrophages Enhances P2X7R-Dependent STING Activation by Tumor-Derived cGAMP的文章。他们利用特异性功能抗体靶向抑制TAMs上的MerTK,揭示了通过阻断MerTK而增强肿瘤免疫原性和提高抗肿瘤免疫的作用机制及其应用潜力。同时该研究阐明了一种全新的肿瘤微环境中免疫细胞STING信号通路激活的模式。TAMs靶向抑制MerTK先天性免疫检查点为增强肿瘤免疫治疗提供了新的机遇。相关课题都可以用分子对接的方法来实现,分子对接对接主要包括蛋白-蛋白,蛋白-核酸,蛋白-小分子,其中蛋白-小子对接互作研究是最多的。

 

2. 作用机理图

图注:MerTK的两种作用机制图

3,2019年,中科院胡荣贵及重庆医科大学李廷玉共同通讯在Cell Research在线发表题为"Maternal exposure to triclosan constitutes a yet unrecognized risk factor for autism spectrum disorders"的研究论文,该研究发现三氯生(二氯苯氧氯酚)一旦进入大脑,就可以直接破坏RA诱导的基因表达并抑制神经元中RA介导的突触升高。三氯生通过穿透人体皮肤或通过口腔和消化道吞咽,可以有效地进入人体并在体液中循环,保留在血浆和母乳中,在高收入人群的尿液中达到~3000μg/ L。因此蛋白-小分子互作在现实生活中无处不在,十分重要。

 

3. 蛋白-分子互作图

图注:蛋白与其相关配体分子相互作用

4,Raja Noor Zaliha Raja Abd. Rahman教授发表的题为Homology modeling and docking studies of a 9-fatty acid desaturase from a Cold-tolerant Pseudomonas sp. AMS8”的文章用同源建模的方法构建了脂肪酸去饱和酶蛋白结构,并用分子对接及分子动力学的方法研究了脂肪酸去饱和酶蛋白与棕榈酸的相互作用。

 

4. 序列对比图

 

 

5. 蛋白结构图

 

 

6. 蛋白-分子互作图

 

 

7. RMSD曲线图

 

 

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