同源建模详细讲解整理版

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5、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

6、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,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

7、,,,,,,,,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,,,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

8、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%,,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,ESy

9、Pred3D,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 mode,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,Alig

10、nment 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,Project 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

11、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/homcos/,同源二聚体建模,异源二聚体建模,识别可能的互作蛋白,,,ESyPre

12、d3D,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

13、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

14、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

15、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,，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

16、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,、,OO,。,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

17、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,,,,,,,,,①,②,③,,模型名称,,,,①,②,③,,④,,⑤,⑥,,贴入序列,加载模板（,PDB,文件）,模板对齐,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,

18、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,A,nalysis and,Ve,rification,S,erver,）进行检验,,PROCHECK,PROCHECK,：本部分主要需要的是拉氏图,（,Ramachandran Plot,）

19、,，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！,