[发明专利]含二硫键多肽的结构预测方法及装置

说明书

本发明提供一种含二硫键多肽的结构预测方法及装置，该结构预测方法包括：序列比对步骤，候选模型筛选步骤，结构特征提取步骤，结构预测步骤。与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：1)含二硫键多肽结构预测的准确度更高；2)能够准确预测二硫键连接模式；3)能够评估预测结构的准确度。

技术领域

本发明涉及结构预测技术领域，具体涉及含二硫键多肽的结构预测方法及装置。

背景技术

富含二硫键多肽因其高效的生物活性而广泛应用于生物医药领域。富含二硫键多肽在自然界中的存在形式多种多样，毒素多肽是其中重要的存在形式之一。利用毒液进行防御或捕猎的动物广泛存在于动物界中，包括脊椎动物、软体动物、节肢动物、环节动物和刺胞动物等。仅从芋螺科动物的毒液中便可以获得数十万种不同活性的毒素多肽。放眼自然界，其他动物拥有更多的种类数量，例如蜘蛛约48000种、蛇约3500种，以及蝎子约2000种，考虑到每种动物的毒液中含有多种毒素，因此，动物毒液是一个巨大的富含二硫键多肽药物宝库。

随着蛋白质组学和转录组学的进步，现在能够从毒液中获取几乎完整的毒素库，这种新型研究方式称为“毒液组学”(venomics)。随着新一代测序技术的迅猛发展，生物序列数据呈指数级持续增长。虽然现在序列信息已经能够相当快捷地获取，但是蛋白质结构的测定速度远低于测序。一般认为蛋白质的序列决定结构，而结构决定功能。为了更好地挖掘富含二硫键毒素多肽的药用价值，其结构信息是必不可少的。

目前，X射线晶体衍射(X-ray diffraction，X-ray)、核磁共振(nuclear magneticresonance，NMR)和冷冻电镜(cryogenic electron microscopy，cryo-EM)是确定蛋白质结构的三种主要实验手段。其中，X射线晶体衍射技术需要对生物分子进行结晶，实验周期长，且分子结晶的条件要求较高、难度较大；核磁共振技术可以获得蛋白质在溶液中的三维结构，能够分析蛋白质的动态变化，但其研究对象的分子量大小有限(通常难以超过20kDa)且实验结构的准确度较低；而冷冻电镜依靠近期发展起来的电子显微三维重构技术，可以获得分子量巨大(200kDa以上)的超分子复合体系的纳米分辨率三维结构，但其精度目前还较难达到原子级别的分辨率。尽管近年来蛋白质结构测定技术有了一定的进展，但还远不能达到高通量测定实验结构的水平，使得已知蛋白质结构的数量和已知序列数量之间的鸿沟越来越大。

目前已知结构的毒素数量仅占序列数量的不到10％，其中比例最高的蝎子仅为12.84％，而比例最低的蜈蚣仅为3.26％。连广泛应用于药物设计的芋螺毒素和蜘蛛毒素的已知结构比例也分别仅为7.11％和5.94％。

为了弥补这种差距，采用计算的方法从富含二硫键毒素多肽的序列直接预测其对应的三维结构成为了一个重要的科学问题。常用的结构预测方法主要可以分为从头预测(ab initio modeling)与基于模板建模(template-based modeling)两类方法。

1、从头预测方法

从头预测方法最初是指基于第一性原则构建蛋白质分子力场等物理模型，再通过构象搜索算法将无序的肽链折叠成接近天然态构象的三维结构。该方法仅凭氨基酸序列而不依靠其他信息来预测相应的三维结构。而如今涌现出许多利用其他信息(如蛋白质片段结构数据库)的预测方法也被认为是从头预测方法，又称为自由建模方法(freemodeling)。从头预测的关键是定义正确的能量函数、使用合适的构象搜索策略寻找能量最低构象。

近年来，人们用分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟的方法从头预测多肽结构，并取得了一些突破。对于设计精良的分子力场来说，理论上位于能量景貌最低点的构象即为天然的折叠态构象。随着近几年计算机技术的快速发展，结合显式溶剂模型的全原子模拟也进展迅速，已经可以折叠小于80个残基的迷你蛋白质至天然态构象。MD模拟虽然也被应用于富含二硫键多肽结构的研究中，但大多数只是用于结构优化以及与受体相互作用的模拟，目前仍然无法准确地从头预测其结构。