[發明專利]一種基于構象多樣性策略的蛋白質三維結構預測方法

有效

• 申請號: 201810238662.0
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108647486B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 張貴軍;劉俊;王柳靜;謝騰宇;周曉根;馬來發
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G16B15/00
• 分類號: G16B15/00;G06N3/12
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種基于構象多樣性策略的蛋白質三維結構預測方法，在遺傳算法的框架下，采用Rosetta標準協議；利用遺傳算子對構象的loop區域進行操作，增強對loop區域的空間搜索；引入基于蛋白質二級結構信息的多樣性指標，結合構象的能量值作為種群更新的選擇標準，增強種群多樣性的同時降低能量函數不精確帶來的不利影響，從而預測出精度更高的近天然態構象。本發明提供一種預測精度較高的基于構象多樣性策略的蛋白質三維結構預測方法。

技術領域

本發明涉及生物信息學、計算機應用領域，尤其涉及的是一種基于構象多樣性策略的蛋白質三維結構預測方法。

背景技術

蛋白質分子是組成人體一切細胞、組織的重要成分。機體所有重要的組成部分都需要有蛋白質的參與。蛋白質的功能十分豐富，對機體的正常運行起著至關重要的作用。而蛋白質的三維結構決定著蛋白質的功能，蛋白質只有正確的折疊成特定的三維結構才能產生特有的生物功能。由于蛋白質錯誤折疊引起的疾病并不少見。因此，要了解蛋白質的功能、治愈與蛋白質有關的多種疾病，就必須獲得蛋白質的三維結構。

二十世紀末以來，生命科學領域飛速發展，作為生物體內分布最廣、功能最復雜的一類大分子，蛋白質受到尤為廣泛的關注和研究。蛋白質的三維結構預測是生物信息學的一個重要任務。不同的蛋白質擁有不同的氨基酸序列，所有蛋白質都會在其一維序列的基礎上折疊形成特定的三維結構，了解蛋白質的三維結構是研究其生物功能的基礎。目前蛋白質的三維結構主要通過X射線晶體衍射和核磁共振成像技術得到，但這兩種通過實驗的方法獲取蛋白質結構的成本均不菲，并且有各自的應用局限。因此，通過計算機技術結合生物信息學的方法模擬蛋白質從氨基酸序列折疊成特定的空間結構的過程，從而預測蛋白質的三維結構就顯得尤為重要。從頭蛋白質結構預測方法得尤為重要。從頭蛋白質結構預測方法不依賴任何已知結構，而是從蛋白質的氨基酸序列出發，根據Anfinsen原則，通過構象搜索方法搜尋目標蛋白質的天然結構。從頭蛋白質預測方法的發展也是對“第二遺傳密碼”的探索過程，具有非凡的物理意義。

目前比較成功的從頭蛋白質結構預測方法有David Baker及其團隊設計的Rosetta方法、張陽及其團隊開發的QUARK方法等。但是至今還沒有一種非常完善的蛋白質三維結構預測方法。目前主要的技術難點來源于兩個方面，一方面是現有的構象空間采樣方法的采樣能力不夠強，另一方面在于能量函數的不精確使得僅以能量值作為構象更新的選擇標準并不能產生十分令人滿意的結果。

因此，目前的蛋白質三維結構預測方法存在不足，需要改進。

發明內容

為了克服蛋白質構象空間采樣方法的采樣能力不夠強和能量函數不精確帶來的不利影響，本發明基于遺傳算法的框架，提出了一種基于構象多樣性策略的蛋白質三維結構預測方法，在遺傳算法的框架下，采用Rosetta標準協議；利用遺傳算子對構象的loop區域進行操作，增強對loop區域的空間搜索；引入基于蛋白質二級結構信息的多樣性指標，結合構象的能量值作為種群更新的選擇標準，增強種群多樣性的同時降低能量函數不精確帶來的不利影響。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于構象多樣性策略的蛋白質三維結構預測方法，所述預測方法包括以下步驟：

1)給定預測蛋白質序列信息；

2)設置系統參數：種群規模N，種群的進化次數G_max，重組概率p_c，變異概率p_m；

3)第一階段，種群初始化：迭代Rosetta協議第一階段的片段組裝，產生具有N個個體的初始種群令

4)第二、三、四階段基于相應的Rosetta協議，分別執行步驟5)至步驟9)；

5)開始迭代，設g＝1，其中種群代數g∈{1,2,...,G_max}；