[发明专利]一种基于差分进化的蛋白质二聚体结构预测方法

说明书

一种基于差分进化的蛋白质二聚体结构预测方法，首先，使用I‑TASSER服务器分别预测出蛋白质二聚体的两条链的结构信息，提升了蛋白质每条单链的空间结构的预测精度；然后，通过种群个体的设计将原先的蛋白质二聚体结构预测问题转换成搜索最优个体的优化问题，降低了计算代价；最后，通过使用差分进化算法搜索最优个体，提升了蛋白质二聚体结构的预测精度。本发明提供一种计算代价低、搜索效率高的基于差分进化的蛋白质二聚体结构预测方法。

技术领域

本发明涉及生物信息学、智能优化及计算机应用领域，具体而言涉及一种基于差分进化的蛋白质二聚体结构预测方法。

背景技术

蛋白质在生命活动中是普遍存在且不可或缺的，它在生物体内承担了多种多样的生物学功能，如酶蛋白的催化作用、膜蛋白的运输作用以及抗体蛋白的免疫作用等。为了完成这些复杂的生物学功能，蛋白质往往需要与其他蛋白质产生相互作用，形成以非共价键相结合的高分子配合物。其中，由两个蛋白质分子组合而成的高分子配合物称为蛋白质双聚体。研究蛋白质双聚体的空间结构，不仅对了解蛋白质双聚体的生物学功能和理解蛋白质之间相互作用的原理与机制至关重要，而且对新蛋白二聚体的设计、蛋白质之间相互作用建模、药物标靶蛋白的设计具有十分重要的指导意义。测定蛋白质二聚体空间结构的实验方法主要包括：X射线晶体衍射、多维核磁共振(NMR)以及冷冻电镜技术(Cryo-EM)。X射线晶体衍射是测定蛋白质二聚体空间结构较为有效的方法，所达到的精度是具有很高的可靠性，主要缺点是蛋白质晶体难以培养且晶体结构测定的周期较长；NMR方法可以直接测定蛋白质在溶液中的构象，但是对样品的需要量大、纯度要求高，目前常用于测定残基数目较少的蛋白质；Cryo-EM是最新的测定蛋白质二聚体空间结构的实验方法，测定的蛋白质二聚体空间结构准确性高，但其所需要的设备仪器价格高昂、维护成本较高。因此，如何以计算机为工具，运用适当的预测算法，从氨基酸序列出发直接预测蛋白质二聚体的空间结构，成为当前生物信息学中一种重要的研究课题。

目前，专门从氨基酸序列出发直接预测蛋白质二聚体空间结构的计算方法极为缺乏。大多数预测蛋白质二聚体空间结构的计算方法都是从已知空间结构信息的两个蛋白质单链出发的，此类方法有Z-DOCK(Brain G.Pierce,et al.ZDOCK server:interactivedocking prediction of protein–protein complexes and symmetric multimers[J].Bioinformatics,2014,30(12):1771-1773.即：布瑞恩.G.皮尔斯等.ZDOC服务器：蛋白质-蛋白质复合物和对称多聚体的交互式对接预测[J].生物信息学，2014,30(12)：1771-1773.)与ClusPro(Stephen R.Comeau,et al.ClusPro:an automated docking anddiscrimination method for the prediction of protein complexes[J].Bioinformatics,2004,20(1):45-50.即：史蒂芬·R·科莫等.ClusPro:蛋白质复合物预测的自动对接和判别方法[J].生物信息学，2004,20(1):45-50.)等。其中，Z-DOCK预测一个蛋白质二聚体的空间结构平均需要11.5分钟，这对于直接从蛋白质单链结构出发的预测方法来说，并不能满足实际的需求；ClusPro预测的蛋白质二聚体空间结构与实验测定的空间结构之间的均方根偏差在左右，距离实际应该还有较大的差距。

综上所述，现存的蛋白质二聚体空间结构预测方法在计算代价、预测精度方面，距离实际应用的要求还有很大差距，迫切地需要改进。

发明内容

为了克服现有的蛋白质二聚体结构预测方法在计算代价、预测精确性方面的不足，本发明提出一种计算代价低、预测精确性高的基于差分进化算法的蛋白质二聚体结构预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于差分进化的蛋白质二聚体结构预测方法，所述方法包括以下步骤：