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1、西大Song 2013.5.3,结构生物学与同源建模,报告内容,1、同源建模的基础-结构生物学 2、蛋白质结构预测之同源建模 3、同源建模的基本步骤 4、同源建模常用软件介绍-在线服务器 5、同源建模常用软件介绍-Modeller 6、模型质量检测,1、结构生物学,结构生物学是以生物大分子特定空间结构、结构的特定运动与生物学功能的关系为基础，来阐明生命现象及其应用的科学。 以生物大分子三级结构的确定作为手段，研究生物大分子的结构与功能关系，探讨生物大分子的作用机制和原理作为研究目的。,三维结构,折叠,进化关系,晶体或高浓度溶液中蛋白质的四级结构,突变、单核苷酸及保守残基的分布,蛋白质配体复合物
2、,不同基团的相关性,形态和静电属性,表面残基暴露与分子构成,推测相互作用界面,晶胞堆积,抗原位点及表面修饰,缝隙（酶活性位点）,催化簇/结构功能motif催化机制,配体和功能位点,生物 多聚态,总结来说,三维结构,功能,作用机制,分子间互作,功能注释,指导实验 验证功能,确认功能位点,设计和改造 蛋白,药物靶标设计,X- 射线晶体衍射（X-ray）,多维核磁共振（ NMR ）,冷冻电子显微镜,结构生物学主要研究方法,高浓度水溶液 精确度X-ray,晶体，准确度最高,细胞和细胞器,PDB数据库,蛋白质数据库（Protein Data Bank,PDB）是一个生物大分子(如蛋白质和核酸)数据库,
3、内容包括由全世界生物学家和生物化学家上传的蛋白质或核酸的X光晶体衍射或者NMR核磁共振结构数据。 截止2013.4.28，PDB数据库已测结构的蛋白质87368，而该库中包含的一级序列有2200W。 通过实验测定的蛋白质结构远远不能满足研究需要，于是蛋白质结构预测就成为研究结构生物学的一个有效手段。,蛋白质结构预测之同源建模,蛋白质结构预测方法： 同源建模，折叠识别和从头计算。 同源建模基本原理： 1、一个蛋白质的结构由其氨基酸序列唯一的决定。由一级结构，在理论上，足以获取其二级、三级结构。 2、三级结构的保守型远远大于一级结构的保守型。 应用限制：模板蛋白和目标蛋白的序列一致性需要大于30%
4、,同源建模的基本步骤,1、模板蛋白搜索 PDB数据库、BLAST(或PSI-BLAST) 、获取模板（一个或多个） 2、比对结果的校正 3、主链生成 4、环区建模 5、模型优化 6、合理性检测,同源建模在线服务器,Swiss-model,I-TASSER,HOMCOS 1.0,ESyPred3D,同源建模软件,图形化软件,Pymol,PDB-viewer,Jmol,Rasmol,SWISS-MODEL,SWISS-MODEL: 网址http:/swissmodel.expasy.org/ 非专业人士应用最为广泛的一个在线建模服务器。 特点：简单、自动化、对学术团队免费。,Automated m
5、ode,Automated mode:自动模式，可以称为是最傻瓜的方式 提交自己的氨基酸序列+邮箱即可 适用：一致性较高时,邮箱,模型命名,氨基酸序列,Swiss-port/TrEMBL登录号,Alignment mode,Alignment mode: 比对模式 提交目标蛋白与模板蛋白的序列比对结果(FASTA,MSF,ClustalW等格式) 适用：1、较高的相似性 2、利用Auto模式未必能找到最合适模板的情况 3、使用者有目的的使用特定的模板蛋白 (比如具有更为相似的活性位点结果，而不是更为相似的整体结构),邮箱,模型命名,比对后的序列,比对文件,Project mode,Projec
6、t mode:项目模式 难以直接通过序列比对获得模板 需要人工插入调节(借助蛋白结构编辑软件deepview) 可以将前两种模式模建出的蛋白进行人为调整 适用：相似性不高,I-TASSAR,I-TASSAR: http:/zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/ *也可以下载本地安装包 评价：根据结果质量检验，该服务器应该是自动建模的软件里是结果最详细的，二级结构、top10模型、配体结合位点等等。 缺点：计算结果时间比较长 结果需要进一步优化,HOMCOS 1.0,HOMCOS 1.0：http:/strcomp.protein.osaka-u.ac.jp/
7、homcos/,同源二聚体建模,异源二聚体建模,识别可能的互作蛋白,ESyPred3D,ESyPred3D ：http:/www.unamur.be/sciences/biologie/urbm/bioinfo/esypred/ 评价：自动建模预测服务程序，ESyPred3D在目标-模板比对这一步做出的结果较好,且在预测序列与模板序列相似度差时有较好的模型预测效果。,Modeller,该软件由Sali lab开发，目前最新的版本是9.11，可在win下和linux运行，需要对应版本的python （3.0）。完全免费。 主要功能包括：多聚体建模，二硫键建模，杂原子建模等(配体、辅酶等)。自带一
8、套模建结构后的优化、分析。 But！ 该软件完全是命令行模式，操作相对复杂，可控制的地方多。,Easymodeller,对于习惯于GUI的我们来说，modeller操作不太方便。 于是。 印度 Hyderabad大学的一位牛人Kuntal Kumar Bhusan为其编写了一个GUI界面，即为Easy Modeller。EasyModeller，目前最新版本为4.0。 之后，又有SWIFT MODELLER，UCSF Chimera interface *注： 图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）,1、指定工作目录,2、输入氨基酸序列,3、加载模板信息（可指
9、定加载某条链，可加载多模板）,4、多重序列比对（可编辑比对结果）,5、生成模型（自动Loop建模，手工Loop建模）,6、优化模型,Easymodeller 2.0,氨基酸序列,提交模板序列,工作目录,多重序列比对,模型优化,命令信息显示窗口,模型生成,同源模建结果评价与改进策略,同源模建结果的评价 PROCHECK 、 WHATCHECK 、ERRAT 、 Verify_3D 、PROVE UCLA-DOE的SAVES服务器包括了这五种常用的检测 其网址为：http:/services.mbi.ucla.edu/SAVES/ 除SAVES外，Molprobity也是一个常用的在线模型分析工具
10、，其网址为：http:/molprobity.biochem.duke.edu/index.php,PROCHECK: 以PDB中高分辨的晶体结构参数为参考，给出提交模型的一系列立体化学参数（主链）。其输出的结果包括：拉氏图，主链的键长与键角，二级结构图，平面侧链与水平面之间的背离程度等。 WHATCHECK:包含大量的检测项，可以针对提交的蛋白结构与正常结构之间的差异，产生一个非常长而且详细的报告。 ERRAT: 计算0.35 nm范围之内，不同原子类型对之间形成的非键相互作用的数目（侧链）。原子按照C、N、O/S进行分类，所以有六种不同的相互作用类型：CC、CN、CO、 NN、 NO、 O
11、O。得分85比较好。,Verify_3D:比较模型和氨基酸一级结构的关系，获得PASS评价即可。 PROVE: 与预先计算好的一系列标准体积之间的差别。用Z-score 来表示。Z-score作为一个统计学值，可以显示模板蛋白质和待测蛋白之间的匹配程度，当Z-score较低时，就意味着没有匹配搜索的结构,实例,以我研究的APS kinase的模型进行实例讲解：,BLAST-P,PDB数据库,寻找最合适模板 3UIE和4FXP（53%）,EsayModeller 多模板建模,SAVES检测模型质量,Chiron 模型优化,SAVES再次检验模型,模型名称,贴入序列,加载模板（PDB文件）,模板对
12、齐,多重序列比对,生成模型,模型优化,自动Loop建模,手动Loop建模,模型名称,Manual Loop modeling,Loop优化的起始碱基,加载一个需要优化的PDB模型,Loop优化的结束碱基,手动Loop建模后模型的文件,Advanced Optimization Options,加载优化的模型,自动优化模型,生成分子动力学轨迹(用VMD或CHIMERA打开查看),绘制模型的能量图,DOPE(Discrete Optimized Protein Energy) Energy,模型质量检验,模型提交SAVES服务器（Structural Analysis and Verificati
13、on Server）进行检验,PROCHECK,PROCHECK：本部分主要需要的是拉氏图（Ramachandran Plot），可下载ps格式、PDF格式以及JPG格式。落在核心区+允许区+最大允许区的碱基百分比大于95%的模型质量很好。,Verify_3D,78.74% of the residues had an averaged 3D-1D score 0.2,ERRAT,Overall quality factor值越高越好，一般高解析度的晶体结构该值可以达到95，而对于解析度一般的来说该值只能到91左右。本例中的ERRAT值为68.280, 还需要继续优化改进。,Chiron进行优化,我们考虑采用计算量较少的Chiron服务器对模建结构的clash进行处理。 Chiron服务器http:/troll.med.unc.edu/chiron/processManager.php,修正前,修正后,模型质量再检测,用SAVES服务器对于经过处理的蛋白结构进行评价,优化前,优化后,77.419,68.280,优化前,优化后,后续优化,结构方面：利用MD对整个结构进行进一步的松弛，以去除不合适的clash。 能量方面：利用Gromacs对蛋白结构进行能量最小化。,谢谢！,