[發明專利]含二硫鍵多肽的結構預測方法及裝置

有效

• 申請號: 202010606233.1
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111653310B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 劉紫琳;胡景皓;蔣帆;吳云東
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: G16B15/20
• 分類號: G16B15/20;G16B30/10;G16B40/00
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司 44281
• 代理人: 周建軍;彭家恩

本發明提供一種含二硫鍵多肽的結構預測方法及裝置，該結構預測方法包括：序列比對步驟，候選模型篩選步驟，結構特征提取步驟，結構預測步驟。與現有技術相比，本發明至少具有如下有益效果之一：1)含二硫鍵多肽結構預測的準確度更高；2)能夠準確預測二硫鍵連接模式；3)能夠評估預測結構的準確度。

技術領域

本發明涉及結構預測技術領域，具體涉及含二硫鍵多肽的結構預測方法及裝置。

背景技術

富含二硫鍵多肽因其高效的生物活性而廣泛應用于生物醫藥領域。富含二硫鍵多肽在自然界中的存在形式多種多樣，毒素多肽是其中重要的存在形式之一。利用毒液進行防御或捕獵的動物廣泛存在于動物界中，包括脊椎動物、軟體動物、節肢動物、環節動物和刺胞動物等。僅從芋螺科動物的毒液中便可以獲得數十萬種不同活性的毒素多肽。放眼自然界，其他動物擁有更多的種類數量，例如蜘蛛約48000種、蛇約3500種，以及蝎子約2000種，考慮到每種動物的毒液中含有多種毒素，因此，動物毒液是一個巨大的富含二硫鍵多肽藥物寶庫。

隨著蛋白質組學和轉錄組學的進步，現在能夠從毒液中獲取幾乎完整的毒素庫，這種新型研究方式稱為“毒液組學”(venomics)。隨著新一代測序技術的迅猛發展，生物序列數據呈指數級持續增長。雖然現在序列信息已經能夠相當快捷地獲取，但是蛋白質結構的測定速度遠低于測序。一般認為蛋白質的序列決定結構，而結構決定功能。為了更好地挖掘富含二硫鍵毒素多肽的藥用價值，其結構信息是必不可少的。

目前，X射線晶體衍射(X-ray?diffraction，X-ray)、核磁共振(nuclear?magneticresonance，NMR)和冷凍電鏡(cryogenic?electron?microscopy，cryo-EM)是確定蛋白質結構的三種主要實驗手段。其中，X射線晶體衍射技術需要對生物分子進行結晶，實驗周期長，且分子結晶的條件要求較高、難度較大；核磁共振技術可以獲得蛋白質在溶液中的三維結構，能夠分析蛋白質的動態變化，但其研究對象的分子量大小有限(通常難以超過20kDa)且實驗結構的準確度較低；而冷凍電鏡依靠近期發展起來的電子顯微三維重構技術，可以獲得分子量巨大(200kDa以上)的超分子復合體系的納米分辨率三維結構，但其精度目前還較難達到原子級別的分辨率。盡管近年來蛋白質結構測定技術有了一定的進展，但還遠不能達到高通量測定實驗結構的水平，使得已知蛋白質結構的數量和已知序列數量之間的鴻溝越來越大。

目前已知結構的毒素數量僅占序列數量的不到10％，其中比例最高的蝎子僅為12.84％，而比例最低的蜈蚣僅為3.26％。連廣泛應用于藥物設計的芋螺毒素和蜘蛛毒素的已知結構比例也分別僅為7.11％和5.94％。

為了彌補這種差距，采用計算的方法從富含二硫鍵毒素多肽的序列直接預測其對應的三維結構成為了一個重要的科學問題。常用的結構預測方法主要可以分為從頭預測(ab?initio?modeling)與基于模板建模(template-based?modeling)兩類方法。

1、從頭預測方法

從頭預測方法最初是指基于第一性原則構建蛋白質分子力場等物理模型，再通過構象搜索算法將無序的肽鏈折疊成接近天然態構象的三維結構。該方法僅憑氨基酸序列而不依靠其他信息來預測相應的三維結構。而如今涌現出許多利用其他信息(如蛋白質片段結構數據庫)的預測方法也被認為是從頭預測方法，又稱為自由建模方法(freemodeling)。從頭預測的關鍵是定義正確的能量函數、使用合適的構象搜索策略尋找能量最低構象。

近年來，人們用分子動力學(molecular?dynamics，MD)模擬的方法從頭預測多肽結構，并取得了一些突破。對于設計精良的分子力場來說，理論上位于能量景貌最低點的構象即為天然的折疊態構象。隨著近幾年計算機技術的快速發展，結合顯式溶劑模型的全原子模擬也進展迅速，已經可以折疊小于80個殘基的迷你蛋白質至天然態構象。MD模擬雖然也被應用于富含二硫鍵多肽結構的研究中，但大多數只是用于結構優化以及與受體相互作用的模擬，目前仍然無法準確地從頭預測其結構。