蛋白质分子对接山东大学课程中心ppt课件.ppt

生 物 信 息 学Bioinformatics0233301510巩晶癌症研究中心山东大学 医学院2015.11.27,第六章 蛋白质结构预测&分析,二聚体 四聚体 六聚体 Toll样受体 血红蛋白 热休克蛋白,蛋白质四级结构是独立的三级结构单元聚集形成的复合物，其中每个独立三级结构称为亚基，也称为单体（monomer）。含两个亚基的蛋白质称为二聚体（dimer）；含三个亚基则称三聚体（trimer）；还有四聚体（tetramer）；五聚体（pentamer）；六聚体（hexamer）等。,6.4 四级结构的获取,蛋白质异常聚集导致的疾病,诱发神经系统退行性病变的淀粉样蛋白（amyloid-protein，A）是蛋白质序列相同但四级结构不同而诱发疾病的典型代表。阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD ）：在AD发生过程中出现淀粉样蛋白。A是由特殊水解酶对其前体蛋白的水解作用产生的。A有两种构象，一种为螺旋且可溶而存在于健康个体脑组织，此类A为单体没有四级结构；另一种为片层且是多个A聚集形成的链间片层，此类A不溶且出现在AD患者脑组织。诱发A从可溶螺旋转变成不溶片层聚集体的机制不清，但已广泛被证实这种构象转变是AD的重要诱因。,可溶螺旋构象 聚集的片层构象 PDB ID：1ZOQ PDB ID：2NNT,6.4 四级结构的获取,老鼠TLR3胞外域双体结合dsRNA形成的复合体结构(PDB ID: 3CIY),电子显微镜加同源建模得到的人TLR5双体结构 (PDB ID: 3J0A),X射线衍射法X-ray Crystallography,冷冻电子显微镜技术Cryoelectron Microscopy,6.4.1 四级结构的获取：实验方法,DIP (the Database of Interacting Proteins) : 实验方法测定的蛋白质之间的相互作用。http:/dip.doe-mbi.ucla.edu/dip/Main.cgi BioGRID (the Biological General Repository for Interaction Datasets) : 主要收集模式生物物种中涉及的蛋白质间相互作用，是各种相互作用的数据集。http:/thebiogrid.org/ STRING 实验测定已知的及计算方法预测的蛋白质间相互作用。http:/string-db.org/ 其他,蛋白质相互作用关系数据库,6.4.2 四级结构的获取：数据库获取,尝试所有可能的结合形式，并根据打分函数给每种形式打分排名。对接的过程中会考虑如下因素： 形状互补 亲疏水性 表面电荷分布,两种蛋白质-蛋白质分子对接：Rigid Docking 刚性对接 - 目前可用的大多数软件为刚性对接。Flexible Docking 柔性对接 - 计算量大，可用软件少，且多为收费软件。,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,分子对接（docking）：蛋白质-蛋白质 分子对接,蛋白质相互作用常用对接软件ZDOCK: http:/zdock.umassmed.edu/ GRAMM-X: http:/vakser.bioinformatics.ku.edu/resources/gramm/grammx 输出值都为多个对接状态（根据能量高低排序，能量低的排名靠前）。结果可用VMD查看。GRAMM-X的输出结果，即多个对接状态都保存在同一个PDB文件中。 该PDB文件包含多个Frames，每个Frame为一个对接状态。保存输出结 果中的某一个状态：在VMD main中选中当前的文件，右键Delete Frames，删去不要的那些状态，再右键Save Coordinates，保存唯一留下的没删的状态。,分子对接（docking）：蛋白质-蛋白质 分子对接,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,对接结果链接会发送至邮箱（不接受免费的邮箱，如hotmail，gmail等）。,http:/zdock.umassmed.edu/,ZDOCK：全能在线对接工具,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,选择或者排除某些残基参与蛋白质相互作用。比如，从发表文献中已知LYS732是参与蛋白质相互作用的重要氨基酸，所以就要在“Select Binding Site Residues”里选中它。,10,ZDOCK：全能在线对接工具,确认一下你的选择，没问题点OK。保存下面的链接，大约30分钟后到该链接所指网页收结果。,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,ZDOCK：全能在线对接工具,对接后，ZdockA.pdb（receptor）的位置没有改变，ZdockB.pdb（ligand）产生了500个可能的对接结果，点“Top 10 Predictions”可下载前十个。如果要下载更多或全部500个，需要运行下面的JAVA插件。通常前十个状态已经足够了。,JAVA插件,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,PDBePISA：蛋白质相互作用分析软件,注意：输入的复合体应为一个PDB文件，其中不同的单体表示为不同的链（chain）。,http:/www.ebi.ac.uk/msd-srv/prot_int/pistart.html,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,PDBePISA：蛋白质相互作用分析软件,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,PDBePISA：蛋白质相互作用分析软件,相互作用面的面积大小及能量高低,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,PDBePISA：蛋白质相互作用分析软件,6.4.3 四级结构的获取：蛋白质-蛋白质分子对接,Rigid Docking 刚性对接 小分子总是柔性的，蛋白质上结合小分子的部位被认为是刚性的。Flexible Docking 柔性对接 小分子总是柔性的，蛋白质上结合小分子的部位被认为是柔性的。,6.4.4 四级结构的获取：小分子-蛋白质分子对接,分子对接（docking）：小分子化合物-蛋白质 分子对接,http:/autodock.scripps.edu,AutoDock：小分子化合物-蛋白质 对接软件,6.4.4 四级结构的获取：小分子-蛋白质分子对接,1. 安装Python运行环境，并设置环境变量。2. Autodock*.exe(windows版)双击后会解压缩产生三个文件：autodock4.exe、autogrid4.exe和cygwin1.dll，并将它们自动拷贝到C:WindowsSystem32文件夹下，安装完成。然后，DOS下可直接输入“autodock4”或“autogrid4”运行。如手动将上述三个文件拷贝到其他目录中，每次调用该命令时需要指出存放目录的路径。3. Mgltool*.exe(windows版)：像安装一个普通的程序一样双击安装即可。,AutoDock：下载与安装（课程中心提供所有下载安装包及安装视频）,6.4.4 四级结构的获取：小分子-蛋白质分子对接,AutoDock：使用（参考课件视频）,.dlg文件,6.4.4 四级结构的获取：小分子-蛋白质分子对接,虚拟筛选，也称计算机筛选，即在进行生物活性筛选之前，在计算机上对化合物分子进行预筛选，以降低实际筛选化合物的数目，同时提高先导化合物的发现效率。,Virtual screening,Library of chemical compounds,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS),Free!,Commercial,分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS),6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,http:/zinc.docking.org,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,根据关键词选择,苯甲酸,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,根据分子结构选择,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,根据分子结构选择,简化分子线性输入规范(simplified molecular input line entry specification, SMILES)是一种用ASCII字符串明确描述分子结构的规范。,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,根据分子属性选择,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,根据销售公司选择,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选：化合物小分子数据库 ZINC,根据分子结构选择,选择输出格式：将所有搜索到的小分子下载并保存到*.mol2的文件中。,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,从zinc下载了192个与苯甲酸结构相似度 80%的小分子结构。,苯甲酸（Benzoic Acid）,虚拟筛选 过程 ：从小分子数据库下载小分子3D结构,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,benzoic.mol2,*.mol2 *.pdbqt,split,transform,虚拟筛选 过程 ：程序处理下载的小分子文件,split_zinc.pl,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,receptor.pdbqt,receptor.pdb,虚拟筛选 过程：软件处理蛋白质分子，设定对接空间范围,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,192个小分子化合物,receptor,X 192 docking,192 docking results,程序自动完成192次对接,8核: 2个小时Dell T7500 27,000,虚拟筛选 过程：程序批量完成对接,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,第一名,Benzoic Acid:positive control,按自由能高低排序，低的在前,虚拟筛选 过程：对接结果分析，筛选出适合的小分子,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,虚拟筛选 过程：软件分析排名第一的小分子对接状态,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,144,销售商,虚拟筛选 过程：从销售商处购买筛选出的小分子，实验验证,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,演示视频: http:/vina.scripps.edu/tutorial.html,用免费的AutoDock Vina做虚拟筛选,6.4.5 四级结构的获取：虚拟筛选,反向对接（Target Fishing）- 是通过把一个小分子与多个靶标蛋白进行分子对接，寻找潜在的靶标。当前软件和技术：还没有标准和成熟的免费软件来实现，只有少数收费软件能实现此功能，以及很少的科研单位通过自己的算法和对已有对接程序的改造来实现。,6.4.6 四级结构的获取：反向对接,分子对接（docking）：反向对接（Target Fishing ）,6.4.6 四级结构的获取：反向对接,分子对接（docking）：反向对接（Target Fishing ）,靶标数据库 http:/bioinfo-pharma.u-strasbg.fr/scPDB scPDB：An Annotated Database of Druggable Binding Sites from the Protein DataBankscPDB：收集了PDB数据库中有可以跟药物结合的位点的蛋白。可根据配体、蛋白、结合方式为特征进行搜索。当前版本包含：8077 entries, 2377 proteins and 5233 ligands 可以下载到本地使用，每个蛋白一个单独的文件夹，每个文件夹都包含如下文件：ligand_xray.mol2：从原始复合物中剥离的配体晶体结构protein.mol2：去除配体结构的蛋白受体结构site.mol2：去除配体结构的蛋白受体结构，仅包含结合位点,反向对接（=多个正向对接） 遍历蛋白数据库文件，获得每个蛋白质及其相关文件 软件自动探测结合位点，并标识结合区域 自动循环，使小分子与每个蛋白受体对接 打分、筛选和排序,6.4.6 四级结构的获取：反向对接,分子对接（docking）：反向对接（Target Fishing ）,500-aa protein, 1 ns (10-9 s) 纳秒120 Cores 需要 5 小时有意义的动力学模拟需要30纳秒以上,6.5 分子动力学模拟,分子动力学模拟（Molecular Dynamic Simulation，MDS）, 用计算机来模拟原子及分子的物理运动过程。软件：NAMD，CHARMM，DESMOND, GAUSS，等,更多视频：http:/www.ks.uiuc.edu/Gallery/Movies/ChannelProteins/,Water Channels in Cell Membranes Every second about a billion water molecules (red and white spheres球体 ) pass through a channel formed in the middle of an aquaporin水通道 protein as shown by white (nonpolar) and green (polar) areas, and charged areas in blue (positive) and red (negative). The yellow sphere球体 highlights the path of a single water molecule. 谁来翻译哈？,6.5 分子动力学模拟,Electrical Current电流 through a Bacterial Toxin毒素The movie shows a computer simulation in which the motion of ions from salt dissolved溶解 in the water can be seen. The positively charged potassium钾 ions (in blue) move upward through the alpha-hemolysin血溶素 (in green), while the negatively charged chloride氯 ions (in red) move downward, constituting an electric current.,6.5 分子动力学模拟,谁来翻译哈？,更多视频：http:/www.ks.uiuc.edu/Gallery/Movies/ChannelProteins/,Translocation of a Polypeptide Helix through SecYProteins serve a variety of roles in the cell. One protein, SecY, manages the movement or translocation of other protein segments across the membrane (i.e., a polypeptide helix). The helix (in blue), forces open the pore ring (yellow) and displaces the plug of SecY (red), thus completing a protein translocation event.,6.5 分子动力学模拟,谁来翻译哈？,更多视频：http:/www.ks.uiuc.edu/Gallery/Movies/ChannelProteins/,