CN109002690B - 通过构建charmm rotamers力场预测突变氨基酸侧链结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法，通过运用VMD图形显示软件及PuTTY与WinSCP运行软件的结合，进行结构对比，我们找到了氨基酸不同旋转异构体中与晶体结构最相近且与旧CHARMM力场区分明显的稳定结构。通过能量最小化和分子动力学模拟研究，进行进一步测量与计算得出RMSD值，通过比较，进而证实了所得结构的准确性。我们的研究结果在数据准确丰富的基础上，快速的找到了氨基酸中能量最低、结构稳定的旋转异构体，节约了实验时间和成本，为蛋白质药物设计提供了可靠依据。

Description

通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的 方法
技术领域
本发明涉及蛋白质工程和分子动力学模拟技术领域，具体涉及一种通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法。
背景技术
利用传统的蛋白质工程实验方法改造蛋白质，耗时费力，可行性不高。计算机运算速度的快速发展使基于力场的分子动力学模拟变成现实。
CHARMM(Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics)是分子动力学场集合的名称，以及与他们相关的分子动力学模拟和分析计算机软件包的名称。它作为引领软件，对蛋白质分子动力学模拟的发展起到了至关重要的作用，但是在预测突变氨基酸的侧链结构时，CHARMM力场仍有不足之处。
蛋白质的结构复杂多样，基本组成单位是氨基酸，各个氨基酸具有不同ROTAMERS(ROTAMER是仅由绕分子內单键的内旋转构象不同而产生的旋转异构体，在实际的晶体结构里面有许多ROTAMERS)的三维结构，主链是重合的，侧链在不同的位置。当把某一氨基酸突变为目标氨基酸的时候，因为CHARMM力场本身只有氨基酸的一种ROTAMER，不包括其他ROTAMERS，所以CHARMM力场不可以准确快速的确定目标氨基酸侧链的位置。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种使新CHARMM力场能够更好的预测突变氨基酸的侧链结构，并通过能量最小化和分子动力学模拟，得出结合能最小的突变体结构，与已知突变体的晶体结构进行对比，验证新CHARMM力场的正确性和优越性的预测突变氨基酸侧链结构的方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法，包括如下步骤：
a)下载并打开ROTAMERS库中含有某氨基酸全部rotamers的pdb格式文件，将其中的N种旋转异构体独立保存并分别命名为氨基酸英文简称1-N；
b)使用VMD视图软件打开pdb格式文件，选用VPK模型，在VMD视图软件中测量氨基酸的键长Bonds、测量键角Angles、测量二面角Dihedrals，构建CHARMM ROTAMERS力场并得到N种旋转异构体的稳定结构；
c)将测量完成的N种氨基酸旋转异构体的数据添加到旧CHARMM力场top模板文件中所对应氨基酸的位置；
d)在WinSCP软件中打开蛋白质文件并找到氨基酸所在位置，删除氨基酸侧链，将氨基酸名字末位字母改为1-N，在PuTTY软件中得到氨基酸1-N的N个输出文件fullprot.pdb；
e)使用VMD视图软件打开步骤d)中的fullprot.pdb文件，将得到的晶体结构与旧的CHARMM力场中对应的氨基酸结构和N种氨基酸旋转异构体结构分别进行对比；
f)通过公式
Figure GDA0003002800520000021
分别计算N种旋转异构体的旋转异构体与晶体偏转数值RMSD(v,w)，式中v表示蛋白质晶体结构，w为步骤b)中氨基酸1-N或旧的CHARMM力场下该氨基酸的结构，x,y,z为蛋白质中每个重原子的坐标，n表示蛋白质侧链结构的原子数，i为蛋白质中第i个重原子；
g)取步骤f)中数值最小的RMSD(v,w)为最接近蛋白质晶体结构的旋转异构体；
h)将步骤g)中最接近蛋白质晶体结构的旋转异构体、蛋白质晶体结构以及旧CHARMM力场下结构文件上传到WinSCP软件，通过PuTTY得到输出结果e127_min.pdb文件并分别重新命名；
i)在PuTTY软件中运行./charmm<equ.inp指令进行分子动力学模拟，分别让三种结构运行输出，得到输出文件e127_dyn0并分别重命名。
进一步的，步骤d)中在Putty软件中输入/charmm<step1_pdbreader.inp>step1_pdbreader.out指令运行charmm，得到氨基酸1-N的N个输出文件fullprot.pdb。
进一步的，步骤h)中在PuTTY软件中输入vi solv1.inp命令进入insert模式，修改溶剂化中心后退出insert模式，依次输入命令./charmm<solv1.inp和./charmm<solv2.inp进行溶剂化，得到已加上水球的solv3文件，再依次输入【./charmm<patch.inp】、【./charmm<sb1.inp】、【./charmm<sb2.inp】、【./charmm<min.inp】四个指令得到输出结果e127_min.pdb文件。
本发明的有益效果是：通过运用VMD图形显示软件及PuTTY与WinSCP运行软件的结合，进行结构对比，我们找到了氨基酸不同旋转异构体中与晶体结构最相近且与旧CHARMM力场区分明显的稳定结构。通过能量最小化和分子动力学模拟研究，进行进一步测量与计算得出RMSD值，通过比较，进而证实了所得结构的准确性。我们的研究结果在数据准确丰富的基础上，快速的找到了氨基酸中能量最低、结构稳定的旋转异构体，节约了实验时间和成本，为蛋白质药物设计提供了可靠依据。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法，包括如下步骤：
a)下载并打开ROTAMERS库中含有某氨基酸全部rotamers的pdb格式文件，将其中的N种旋转异构体独立保存并分别命名为氨基酸英文简称1-N，如酪氨酸TYR即为TY1-4。
b)使用VMD视图软件打开pdb格式文件，选用VPK模型，此时可以观察到氨基酸的结构是由主链和侧链两部分组成，在VMD视图软件中测量氨基酸的键长Bonds、测量键角Angles、测量二面角Dihedrals，构建CHARMM ROTAMERS力场并得到N种旋转异构体的稳定结构。在VMD视图软件中，Atoms表示原子，可以知道每个原子的命名；Bonds表示键长，按顺序单击两个原子可测出其键长；Angles表示键角，此选项下依次单击三个原子即可测出其键角；Dihedrals表示二面角，依次单击选中四个原子即可测量出其二面角的角度。用VMD测量数据时每个IC需要四个连接的原子，它们有两种连接方式，正常模型需要测出I-J与K-L的键长、I-J-K与J-K-L的键角、I-J-K-L的二面角；非正常模型需要测出I-K*与K*-L的键长、I-K*-J与L-K*-J的键角、I-J-K*-L的二面角。
c)通过运用VMD软件对氨基酸N个旋转异构体进行显示，测量各有效原子之间的键长、键角、二面角，将这些数据记录分析，可以快速找到氨基酸侧链的变化，进而方便找到氨基酸稳定的旋转异构体结构。将测量完成的N种氨基酸旋转异构体的数据添加到旧CHARMM力场top模板文件中所对应氨基酸的位置。
d)在WinSCP软件中打开蛋白质文件并找到氨基酸所在位置，删除氨基酸侧链，将氨基酸名字末位字母改为1-N，在PuTTY软件中得到氨基酸1-N的N个输出文件fullprot.pdb；
e)使用VMD视图软件打开步骤d)中的fullprot.pdb文件，将得到的晶体结构与旧的CHARMM力场中对应的氨基酸结构和N种氨基酸旋转异构体结构分别进行对比。
f)通过公式
Figure GDA0003002800520000041
分别计算N种旋转异构体的旋转异构体与晶体偏转数值RMSD(v,w)，式中v表示蛋白质晶体结构，w为步骤b)中氨基酸1-N或旧的CHARMM力场下该氨基酸的结构，x,y,z为蛋白质中每个重原子的坐标，n表示蛋白质侧链结构的原子数，i为蛋白质中第i个重原子。
g)取步骤f)中数值最小的RMSD(v,w)为最接近蛋白质晶体结构的旋转异构体。
h)将步骤g)中最接近蛋白质晶体结构的旋转异构体、蛋白质晶体结构以及旧CHARMM力场下结构文件上传到WinSCP软件，通过PuTTY得到输出结果e127_min.pdb文件并分别重新命名。
i)在PuTTY软件中运行./charmm<equ.inp指令进行分子动力学模拟，分别让三种结构运行输出，得到输出文件e127_dyn0并分别重命名。
补充说明上述步骤结合取得的效果。
通过运用VMD图形显示软件及PuTTY与WinSCP运行软件的结合，进行结构对比，我们找到了氨基酸不同旋转异构体中与晶体结构最相近且与旧CHARMM力场区分明显的稳定结构。通过能量最小化和分子动力学模拟研究，进行进一步测量与计算得出RMSD值，通过比较，进而证实了所得结构的准确性。我们的研究结果在数据准确丰富的基础上，快速的找到了氨基酸中能量最低、结构稳定的旋转异构体，节约了实验时间和成本，为蛋白质药物设计提供了可靠依据。具体的，步骤d)中在Putty软件中输入/charmm<step1_pdbreader.inp>step1_pdbreader.out指令运行charmm，得到氨基酸1-N的N个输出文件fullprot.pdb。
具体的，步骤h)中在PuTTY软件中输入vi solv1.inp命令进入insert模式，修改溶剂化中心后退出insert模式，依次输入命令./charmm<solv1.inp和./charmm<solv2.inp进行溶剂化，得到已加上水球的solv3文件，再依次输入【./charmm<patch.inp】、【./charmm<sb1.inp】、【./charmm<sb2.inp】、【./charmm<min.inp】四个指令得到输出结果e127_min.pdb文件。

Claims (3)

1.一种通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)下载并打开ROTAMERS库中含有某氨基酸全部rotamers的pdb格式文件，将其中的N种旋转异构体独立保存并分别命名为氨基酸英文简称1-N；
b)使用VMD视图软件打开pdb格式文件，选用VPK模型，在VMD视图软件中测量氨基酸的键长Bonds、测量键角Angles、测量二面角Dihedrals，构建CHARMM ROTAMERS力场并得到N种旋转异构体的稳定结构；
c)将测量完成的N种氨基酸旋转异构体的数据添加到旧CHARMM力场top模板文件中所对应氨基酸的位置；
d)在WinSCP软件中打开蛋白质文件并找到氨基酸所在位置，删除氨基酸侧链，将氨基酸名字末位字母改为1-N，在PuTTY软件中得到氨基酸1-N的N个输出文件fullprot.pdb；
e)使用VMD视图软件打开步骤d)中的fullprot.pdb文件，将得到的晶体结构与旧的CHARMM力场中对应的氨基酸结构和N种氨基酸旋转异构体结构分别进行对比；
f)通过公式
Figure FDA0003002800510000011
分别计算N种旋转异构体的旋转异构体与晶体偏转数值RMSD(v,w)，式中v表示蛋白质晶体结构，w为步骤b)中氨基酸1-N或旧的CHARMM力场下该氨基酸的结构，x,y,z为蛋白质中每个重原子的坐标，n表示蛋白质侧链结构的原子数，i为蛋白质中第i个重原子；
g)取步骤f)中数值最小的RMSD(v,w)为最接近蛋白质晶体结构的旋转异构体；
h)将步骤g)中最接近蛋白质晶体结构的旋转异构体、蛋白质晶体结构以及旧CHARMM力场下结构文件上传到WinSCP软件，通过PuTTY得到输出结果e127_min.pdb文件并分别重新命名；
i)在PuTTY软件中运行./charmm<equ.inp指令进行分子动力学模拟，分别让三种结构运行输出，得到输出文件e127_dyn0并分别重命名。
2.根据权利要求1所述的通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法，其特征在于：步骤d)中在Putty软件中输入/charmm<step1_pdbreader.inp>step1_pdbreader.out指令运行charmm，得到氨基酸1-N的N个输出文件fullprot.pdb。
3.根据权利要求1所述的通过构建CHARMM ROTAMERS力场预测突变氨基酸侧链结构的方法，其特征在于：步骤h)中在PuTTY软件中输入vi solv1.inp命令进入insert模式，修改溶剂化中心后退出insert模式，依次输入命令./charmm<solv1.inp和./charmm<solv2.inp进行溶剂化，得到已加上水球的solv3文件，再依次输入【./charmm<patch.inp】、【./charmm<sb1.inp】、【./charmm<sb2.inp】、【./charmm<min.inp】四个指令得到输出结果e127_min.pdb文件。
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