TWI448919B - 以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法 - Google Patents
以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法 Download PDFInfo
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Description
本發明係有關於以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，係以蛋白質相對位能之運算，預測點突變後的蛋白質有無熱穩定性之方法。
按，熱穩定的蛋白質可在高溫下進行反應，半衰期也較長，無論在實驗室微量運用或是工業大量制程都相當重要。以往用DNA隨機突變法來篩選熱穩定蛋白曠日廢時，而今蛋白質熱穩定因素的研究漸多，我們可依以往的研究設計突變，在實做突變前，可先模擬該蛋白質的三維結構，再運算該模擬結構的相對位能，相對位能愈低則蛋白質亂度愈低，可以期待該蛋白質具熱穩定性。
此外，蒐尋先前技術，雖有LIE法(Linear Interaction Energy)與CUPSAT法(Cologne University Protein Stability Analysis Tool)，其中LIE法，係一種計算方法植基於線性交互能量近似值，以預測由單一突變引起的原態自由能變化量，如第五圖所示，係以該法之△△G演算示意圖(7)及△△G分佈示意圖(8)；CUPSAT法，係以結構環境下特殊原子位能及張力角位能去預測△△G(由原態展開至突變蛋白質後的自由位能差)，如第六圖所示，係以該法做出之熱穩定可能性預測準度示意圖(9)。
然而，上述方法具有下列缺點：LIE法：
無突變位置建議及胺基酸置換建議，使用者需自行找尋PDB 3D結構模版並模擬折疊後方可運算突變前後的相對位能差來預測突變後的蛋白質是否具熱穩定性，因此初次接觸者不易入門。
CUPSAT法：無突變位置建議，定點以其他十九種胺基酸置換並比較用以篩選最佳熱穩定的胺基酸，運算費時。使用者需自行找尋PDB 3D結構模版方可運算突變前後的相對位能差來預測突變後的蛋白質是否具熱穩定性。
爰此，本發明為讓使用者能進一步更精確了解及預測突變胺基酸序列是否能具有較佳之熱穩定性，乃提供一種讓使用者不需具備很多生物資訊知識基礎，只需將欲研究之蛋白質名稱或簡寫輸入，即可建議使用者可以選用做為之突變胺基酸序列，及其熱穩定性做為實驗設計參考，進而節省實驗模索與浪費之成本，並提昇研究之品質。
亦即，本發明係有關於以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，其係提供一運算平台供使用者輸入蛋白質名稱或簡寫，即可檢索並提供可能具熱穩定的突變胺基酸序列，並運算、比較該突變胺基酸序列具熱穩定的可能性，作為該蛋白質熱穩定研究之參考，以蛋白質相對位能之運算，預測點突變後的蛋白質有無熱穩定性之方法。
而上述本發明所提供之一種以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，係包括下列步驟：A、輸入名稱；係於一操作電腦上執行一人機介面軟體，並進行一蛋白質名稱輸入作業；係於所述操作電腦輸入一蛋白質的全名或縮寫；B、序列檢索；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，進行一蛋白質序列檢索作業；係將所述的蛋白質的全名或縮寫，與一蛋白質序列資料庫進行比對，並得一蛋白質序列比對結果；C、二次檢索；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，進行複數個二次檢索作業；係包括：C1、檢索三維結構模版；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質三維結構資料庫進行比對，並輸出至少一蛋白質三維結構模版；C2、檢索活性區域；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質活性區域資料庫進行比對，並輸出至少一避開蛋白質活性區域；C3、檢索磷酸化調控區；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質磷酸化調控區資料庫進行比對，並得一避開蛋白質磷酸化調控區；
C4、顯示檢索結果；係將所述的蛋白質三維結構模版、所述的避開蛋白質活性區域、所述的避開蛋白質磷酸化調控區，回傳至所述的操作電腦，而由所述的人機介面軟體顯示；D、建議具熱穩定突變序列；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，藉由執行一蛋白質熱穩定序列建議軟體，而進行一具熱穩定突變序列之建議作業；係將所述的避開蛋白質活性區域與所述的避開蛋白質磷酸化調控區，以所述的蛋白質熱穩定序列建議軟體比對而避開，並輸出至少一建議之具熱穩定突變序列，且由所述的人機介面軟體顯示；E、三維結構模擬；係於所述的操作電腦或一遠端電腦，藉由執行一蛋白質三維結構模擬軟體，而進行一蛋白質三維結構模擬作業；係藉由所述的蛋白質三維結構模擬軟體，將所述的蛋白質三維結構比對結果與所述的建議之具熱穩定突變序列進行模擬作業，係包括：E1、運算△△G；所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G運算作業；係將所述的蛋白質三維結構比對結果以一△△G運算軟體進行運算作業，並輸出所述的蛋白質三維結構比對結果之一△△G；E2、比較△△G；所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G比較作業；係將所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G與一△△G運算結果資料庫之資料對應比較，判定相同即輸出一對應△△G之熱穩定性百分比；
E3、顯示熱穩定性百分比；顯示所述的蛋白質三維結構比對結果之熱穩定性百分比；係將所述對應△△G之熱穩定性百分比，確認並回傳至所述的操作電腦，而由所述的人機介面軟體顯示。
所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，其中步驟B，係進一步由所述的人機介面軟體，由所述的蛋白質序列比對結果挑選一欲模擬的蛋白質序列或自行輸入一胺基酸序列。
所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，其中步驟C1，係進一步由所述的人機介面軟體，挑選一欲模擬的所述的蛋白質三維結構模版或自行上傳一蛋白質三維結構模版。
所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，進一步包括一步驟C5，係於所述的人機介面軟體上另行輸入至少一避開蛋白質活性區域及一避開蛋白質磷酸化調控區。
所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，其中步驟D，係直接由所述的人機介面軟體選擇所述的建議之具熱穩定突變序列，或進一步輸入一自訂點突變序列。
如上述，本發明之技術在於以整合平台運算蛋白質相對位能，以預測點突變後的蛋白質有無熱穩定性。
本發明之優勢即在於：
使用者不需具備很多生物資訊知識基礎，只需將欲研究之蛋白質名稱或簡寫輸入檢索，即可獲得該蛋白質的胺基酸序列資料、蛋白質三維結構模板(.PDB)、蛋白質活性區域及磷酸化調控區域序列，並自動參考已知的熱穩定胺基酸序列及結構，在避開活性區域及磷酸化調控區域的前提下，可看到建議使用者可能具熱穩定的突變胺基酸序列，同時運算該突變胺基酸序列之G，比較突變後具熱穩定的可能性。
是以本發明將可作為實驗設計之預測，大幅降低研發成本支出。
本發明之優點：使用者不需具備很多生物資訊知識基礎，只輸入蛋白質名稱即得可能具熱穩定之胺基酸序列。
本發明之特色：自動參考已知的熱穩定胺基酸序列及結構，並避開活性區域及磷酸化調控區域建議使用者可能具熱穩定的突變胺基酸序列。
首先說明本發明之概念：前述的以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，如第一圖所示，實施時係包括如下之步驟：A、輸入名稱(A)；於一操作電腦上執行一人機介面軟體，並進行一蛋白質名稱輸入作業；係於所述操作電
腦輸入一蛋白質的全名或縮寫；B、序列檢索(B)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，進行一蛋白質序列檢索作業；係將所述的蛋白質的全名或縮寫，與一蛋白質序列資料庫進行比對，並得一蛋白質序列比對結果；C、二次檢索(C)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，進行複數個二次檢索作業；係包括：C1、檢索三維結構模版(C1)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質三維結構資料庫進行比對，並輸出至少一蛋白質三維結構模版；C2、檢索活性區域(C2)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質活性區域資料庫進行比對，並輸出至少一避開蛋白質活性區域；C3、檢索磷酸化調控區(C3)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質磷酸化調控區資料庫進行比對，並得一避開蛋白質磷酸化調控區；C4、顯示檢索結果C4)；將所述的蛋白質三維結構模版、所述的避開蛋白質活性區域、所述的避開蛋白質磷酸化調控區，回傳至所述的操作電腦，而由所述的人機介面軟體顯示；
D、建議具熱穩定突變序列(D)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，藉由執行一蛋白質熱穩定序列建議軟體，而進行一具熱穩定突變序列之建議作業；係將所述的避開蛋白質活性區域與所述的避開蛋白質磷酸化調控區，以所述的蛋白質熱穩定序列建議軟體比對而避開，並輸出至少一建議之具熱穩定突變序列，且由所述的人機介面軟體顯示；E、三維結構模擬(E)；於所述的操作電腦或一遠端電腦，藉由執行一蛋白質三維結構模擬軟體，而進行一蛋白質三維結構模擬作業；係藉由所述的蛋白質三維結構模擬軟體，將所述的蛋白質三維結構比對結果與所述的建議之具熱穩定突變序列進行模擬作業，係包括：E1、運算△△G(E1)；所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G運算作業；係將所述的蛋白質三維結構比對結果以一△△G運算軟體進行運算作業，並輸出所述的蛋白質三維結構比對結果之一△△G；E2、比較△△G(E2)；所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G比較作業；係將所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G與一△△G運算結果資料庫之資料對應比較，判定相同即輸出一對應△△G之熱穩定性百分比；E3、顯示熱穩定性百分比(E3)；顯示所述的蛋白質三維結構比對結果之熱穩定性百分比；係將所述對應△△G之熱穩定性百分比，確認並回傳至所述的操作電腦，而由所述的人機介面軟體顯示。
如第二圖所示，係為本發明之方法運算流程示意圖，其中使用者(100)係經由人機介面操作4~6項作業：蛋白質資料庫檢索(101)、蛋白質胺基酸資料確認(102)、蛋白質熱穩定序列建議(103)、蛋白質三維結構模版確認(104)、蛋白質活性區資料檢索(105)、蛋白質磷酸化調控區資料檢索(106)，其中蛋白質資料庫檢索(101)為第一項輸入，當其系統(後述)檢出資料後，即於人機介面呈現，使用者(100)隨即確認其餘3~5項作業所需之資料，這當中包括另由輸入資料，而後系統即進行蛋白質三維結構模擬(107)，並將檢出資料陸續進行蛋白質三維結構△△G運算(108)、蛋白質三維結構△△G比較(109)及判定序列具熱穩定性及活性(110)，並呈現結果。
如第三圖所示，係為本發明之方法之系統示意圖，其中使用者(100)係經人機介面與預測系統(1)互動，本預測系統(1)包括蛋白質資料檢索作業模組(11)、蛋白質活性區檢索作業模組(12)、蛋白質質熱穩定序列建議作業模組(13)、蛋白質磷酸化調控區資料檢索作業模組(14)、蛋白質三維結構模版檢索作業模組(15)、蛋白質三維結構△△G運算作業模組(17)、蛋白質三維結構△△G比較作業模組(18)、判定序列具熱穩定性及活性作業模組(19)，另外，又配合一蛋白質三維結構模擬作業模組(16)及四資料庫：蛋白質序列資料庫(2)、蛋白質活性區資料庫(3)、蛋白質磷酸化調控區資料庫(4)、蛋白質三維結構資料庫(5)，其中，蛋白質序列資料庫(2)供蛋白
質資料檢索作業模組(11)檢索用蛋白質活性區資料庫(3)供蛋白質活性區檢索作業模組(12)檢索用，蛋白質磷酸化調控區資料庫(4)供蛋白質磷酸化調控區資料檢索作業模組(14)檢索，蛋白質三維結構資料庫(5)供蛋白質三維結構模版檢索作業模組(15)檢索。
如第四圖所示，係為本發明之方法實施時之人機介面示意圖，該人機介面畫面(6)包括了：蛋白質輸入欄位(61)、蛋白質選擇欄位(62)、蛋白質三維結構模版選擇欄位(63)、活性區及磷酸化調控區避開選擇欄位(64)、建議之具熱穩定突變序列選擇欄位(65)、建議序列之熱穩定可能性百分比顯示欄位(66)，藉由此畫面，僅需依序針對欄位出現的資料而作業，其中蛋白質輸入欄位(61)包括下拉式既有名稱選擇(611)、檢索按鈕(612)，當於下拉式既有名稱選擇(611)選擇了蛋白質名稱後，按下檢索按鈕(612)即可；而蛋白質選擇欄位包括下拉式檢索蛋白質選擇(621)、另行選擇胺基酸序列輸入欄位(622)，系統回傳資料給蛋白質選擇欄位包括下拉式檢索蛋白質選擇(621)呈現可選擇的蛋白質名稱，操作者可下拉選擇，或是另行由另行選擇胺基酸序列輸入欄位(622)輸入資料；蛋白質三維結構模版選擇欄位(63)包括下拉式蛋白質三維結構模版選擇(631)、另行選擇模版上傳欄位(632)；活性區及磷酸化調控區避開選擇欄位(64)包括活性區及磷酸化調控區避開顯示(641)、另行選擇活性區及磷酸化調控區輸入欄位(642)；建議之具熱穩定突變序列選擇欄位(65)包括建議之具熱穩定突變序
列顯示(651)、另行選擇具熱穩定突變序列輸入欄位(652)；同樣的，它們都會由系統回傳資料並顯示供操作者選擇，若操作者不選擇回傳資料，就必須自行輸入資料；最後，建議序列之熱穩定可能性百分比顯示欄位(66)則顯示最終的結果。
而藉由本發明方法產生模擬之建議序列及其熱穩定可能性百分比，再經評估後即可產生最佳實施方案，且事先經系統模擬驗證，而可快速擬出研發或改良計劃，既省時間且省成本。
以上所舉僅在說明本發明，並非用以限制本發明，舉凡應用與本發明方法近似而得以模擬取得研發或改良計劃者，均仍包括在本發明精神範圍內。
流程方塊圖流程編號
(A)‧‧‧輸入名稱
(B)‧‧‧序列檢索
(C)‧‧‧二次檢索
(C1)‧‧‧檢索三維結構模版
(C2)‧‧‧檢索活性區域
(C3)‧‧‧檢索磷酸化調控區
(C4)‧‧‧顯示檢索結果
(D)‧‧‧建議具熱穩定突變序列
(E)‧‧‧三維結構模擬
(E1)‧‧‧運算△△G
(E2)‧‧‧比較△△G
(E3)‧‧‧顯示熱穩定性百分比
方法運算流程示意圖
(100)‧‧‧使用者
(101)‧‧‧蛋白質資料庫檢索
(102)‧‧‧蛋白質胺基酸資料確認
(103)‧‧‧蛋白質熱穩定序列建議
(104)‧‧‧蛋白質三維結構模版確認
(105)‧‧‧蛋白質活性區資料檢索
(106)‧‧‧蛋白質磷酸化調控區資料檢索
(107)‧‧‧蛋白質三維結構模擬
(108)‧‧‧蛋白質三維結構△△G運算
(109)‧‧‧蛋白質三維結構△△G比較
(110)‧‧‧判定序列具熱穩定性及活性
系統示意圖
(100)‧‧‧使用者
(1)‧‧‧預測系統
(11)‧‧‧蛋白質資料檢索作業模組
(12)‧‧‧蛋白質活性區檢索作業模組
(13)‧‧‧蛋白質質熱穩定序列建議作業模組
(14)‧‧‧蛋白質磷酸化調控區資料檢索作業模組
(15)‧‧‧蛋白質三維結構模版檢索作業模組
(16)‧‧‧蛋白質三維結構模擬作業模組
(17)‧‧‧蛋白質三維結構△△G運算作業模組
(18)‧‧‧蛋白質三維結構△△G比較作業模組
(19)‧‧‧判定序列具熱穩定性及活性作業模組
(2)‧‧‧蛋白質序列資料庫
(3)‧‧‧蛋白質活性區資料庫
(4)‧‧‧蛋白質磷酸化調控區資料庫
(5)‧‧‧蛋白質三維結構資料庫
人機介面示意圖
(6)‧‧‧人機介面畫面
(61)‧‧‧蛋白質輸入欄位
(611)‧‧‧下拉式既有名稱選擇
(612)‧‧‧檢索按鈕
(62)‧‧‧蛋白質選擇欄位
(621)‧‧‧下拉式檢索蛋白質選擇
(622)‧‧‧另行選擇胺基酸序列輸入欄位
(63)‧‧‧蛋白質三維結構模版選擇欄位
(631)‧‧‧下拉式蛋白質三維結構模版選擇
(632)‧‧‧另行選擇模版上傳欄位
(64)‧‧‧活性區及磷酸化調控區避開選擇欄位
(641)‧‧‧活性區及磷酸化調控區避開顯示
(642)‧‧‧另行選擇活性區及磷酸化調控區輸入欄位
(65)‧‧‧建議之具熱穩定突變序列選擇欄位
(651)‧‧‧建議之具熱穩定突變序列顯示
(652)‧‧‧另行選擇具熱穩定突變序列輸入欄位
(66)‧‧‧建議序列之熱穩定可能性百分比顯示欄位
△△G自由能變化預測
(7)‧‧‧△△G演算示意圖
(8)‧‧‧△△G分佈示意圖
(9)‧‧‧熱穩定可能性預測準度示意圖
第一圖係為本發明方法之流程方塊圖。
第二圖係為本發明之方法運算流程示意圖。
第三圖係為本發明之方法之系統示意圖。
第四圖係為本發明之方法實施時之人機介面示意圖。
第五圖係為△△G自由能變化預測示意圖之一(為LIE預測方法之示意圖)。
第六圖係為△△G自由能變化預測示意圖之二(為CUPSAT法預測之示意圖)。
(A)‧‧‧輸入名稱
(B)‧‧‧序列檢索
(C)‧‧‧二次檢索
(C1)‧‧‧檢索三維結構模版
(C2)‧‧‧檢索活性區域
(C3)‧‧‧檢索磷酸化調控區
(C4)‧‧‧顯示檢索結果
(D)‧‧‧建議具熱穩定突變序列
(E)‧‧‧三維結構模擬
(E1)‧‧‧運算△△G
(E2)‧‧‧比較△△G
(E3)‧‧‧顯示熱穩定性百分比
Claims (5)
- 一種以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，係包括下列步驟：A、輸入名稱；於一操作電腦上執行一人機介面軟體，並進行一蛋白質名稱輸入作業；係於所述操作電腦輸入一蛋白質的全名或縮寫；B、序列檢索；於所述的操作電腦或一遠端電腦，進行一蛋白質序列檢索作業；係將所述的蛋白質的全名或縮寫，與一蛋白質序列資料庫進行比對，並得一蛋白質序列比對結果；C、二次檢索；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，進行複數個二次檢索作業；係包括：C1、檢索三維結構模版；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質三維結構資料庫進行比對，並輸出至少一蛋白質三維結構模版；C2、檢索活性區域；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質活性區域資料庫進行比對，並輸出至少一避開蛋白質活性區域；C3、檢索磷酸化調控區；於所述的操作電腦或一遠端電腦，以所述的蛋白質序列比對結果，與一蛋白質磷酸化調控區資料庫進行比對，並得一避開蛋白質磷酸化調控區；C4、顯示檢索結果；將所述的蛋白質三維結構模版、所述的避開蛋白質活性區域、所述的避開蛋白質磷酸化調 控區，回傳至所述的操作電腦，而由所述的人機介面軟體顯示；D、建議具熱穩定突變序列；於所述的操作電腦或一遠端電腦，藉由執行一蛋白質熱穩定序列建議軟體，而進行一具熱穩定突變序列之建議作業；係將所述的避開蛋白質活性區域與所述的避開蛋白質磷酸化調控區，以所述的蛋白質熱穩定序列建議軟體比對而避開，並輸出至少一建議之具熱穩定突變序列，且由所述的人機介面軟體顯示；E、三維結構模擬；於所述的操作電腦或一遠端電腦，藉由執行一蛋白質三維結構模擬軟體，而進行一蛋白質三維結構模擬作業；係藉由所述的蛋白質三維結構模擬軟體，將所述的蛋白質三維結構比對結果與所述的建議之具熱穩定突變序列進行模擬作業，係包括：E1、運算△△G；所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G運算作業；係將所述的蛋白質三維結構比對結果以一△△G運算軟體進行運算作業，並輸出所述的蛋白質三維結構比對結果之一△△G；E2、比較△△G；所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G比較作業；係將所述的蛋白質三維結構比對結果之△△G與一△△G運算結果資料庫之資料對應比較，判定相同即輸出一對應△△G之熱穩定性百分比；E3、顯示熱穩定性百分比；顯示所述的蛋白質三維結構比對結果之熱穩定性百分比；係將所述對應△△G之熱穩定性百分比，確認並回傳至所述的操作電腦，而由所述的人機介面軟體顯示。
- 如申請專利範圍第1項所述之以相對位能差預測蛋白質熱 穩定之方法，其中步驟B，係進一步由所述的人機介面軟體，由所述的蛋白質序列比對結果挑選一欲模擬的蛋白質序列或自行輸入一胺基酸序列。
- 如申請專利範圍第1項所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，其中步驟C1，係進一步由所述的人機介面軟體，挑選一欲模擬的所述的蛋白質三維結構模版或自行上傳一蛋白質三維結構模版。
- 如申請專利範圍第1項所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，進一步包括一步驟C5，係於所述的人機介面軟體上另行輸入至少一避開蛋白質活性區域及一避開蛋白質磷酸化調控區。
- 如申請專利範圍第1項所述之以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法，其中步驟D，係直接由所述的人機介面軟體選擇所述的建議之具熱穩定突變序列，或進一步輸入一自訂點突變序列。
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|---|---|---|---|
| TW101119777A TWI448919B (zh) | 2012-06-01 | 2012-06-01 | 以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法 |
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| TW201351181A TW201351181A (zh) | 2013-12-16 |
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| TW101119777A TWI448919B (zh) | 2012-06-01 | 2012-06-01 | 以相對位能差預測蛋白質熱穩定之方法 |
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-
2012
- 2012-06-01 TW TW101119777A patent/TWI448919B/zh not_active IP Right Cessation
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