[发明专利]一种基于局部Lipschitz支撑面的双层差分进化蛋白质结构预测方法

摘要

一种基于局部Lipschitz支撑面的双层差分进化蛋白质结构预测方法，首先，根据能量值选取当前种群中的最优构象，计算其他构象到最优构象的距离，并根据距离对所有构象进行排名；然后，选取离最优构象最近的部分构象建立Lipschitz下界支撑面，计算所选取的构象的能量下界估计值，并计算实际能量值与下界估计值的平均误差；最后，根据平均误差将算法分为两层，第一层随机选取构象进行片段组装生成新构象，第二层则根据最优构象进行片段组装生成新构象，从而引导算法快速可靠地向能量最低的区域收敛。本发明预测精度高、计算代价较低。

主权项

1.一种基于局部Lipschitz支撑面的双层差分进化蛋白质结构预测方法，其特征在于：所述蛋白质结构预测方法包括以下步骤：1)选取力场模型：采用Rosetta力场模型能量函数的表示形式如下式中，E表示蛋白质的总能量，Einter rep表示范德华排斥力作用，Einter atr表示范德华吸引力作用,Esolvation为Lazarids和Karplus描述的隐含的溶解作用，Ebb/sc hb、Ebb/bb hb和Esc/sc hb为依赖方向的氢键能量，Epair残基对静电作用，Edunbrack为氨基酸基于旋转异构体库的内部的能量，Erama为参考特定位置的Ramachandrin骨链扭力，Ereference为未折叠态的蛋白质的参考能量，Winter rep、Winter atr、Wsolvation为Einter rep、Einter atr、Esolvation的能量项权重，Wbb/sc hb、Wbb/bb hb和Wsc/sc hb分别为Ebb/sc hb、Ebb/bb hb和Esc/sc hb的能量项权重，Wpair、Wdunbrack、Wrama和Wreference分别为Epair、Edunbrack、Erama和Ereference的能量项权重；2)给定输入序列信息；3)设置参数：能量函数的各能量项权重值，种群大小NP，交叉因子CR，常数M；4)种群初始化：由输入序列产生初始构象种群其中，N表示维数，表示第i个构象Cⁱ的第N维元素，并初始化迭代次数G＝0；5)根据式(1)计算当前种群中的每个构象的能量值f(Cⁱ)＝E(Cⁱ)，选取能量最低的构象C_best＝(x_best,1,x_best,2,…,x_best,N)，计算其他构象Cⁱ到C_best的欧式距离其中，为第i个构象Cⁱ的第j维元素，x_best,j为C_best的第j维元素；6)根据各构象的欧式距离dⁱ进行升序排列，选取排名前NP/5的构象C^k,k＝1,…,NP/5，对选取的每个构象构建Lipschitz下界估计支撑面其中，f(C^k)为构象C^k的能量函数值，为辅助变量，M为常数；7)根据所构建的下界估计支撑面计算所选取的NP/5个构象的下界估计值其中max表示求最大值，min表示求最小值，为支撑向量l^k的第j维元素；8)计算所选取的NP/5个构象C^k的下界估计值和实际能量值f(C^k)之间的平均误差9)针对种群中的每个构象个体Ci，i∈{1,2,3,…,NP}，令Ctarget＝Ci，Ctarget表示目标构象个体，执行以下操作生成变异构象Cmutant：9.1)随机生成正整数rand1,rand2,rand3，rand1,rand2和rand3均∈{1,2,3,......NP}，且rand1≠rand2≠rand3≠i；再生成4个随机整数randrange1,randrange2,randrange3,randrange4，randrange1,randrange2,randrange3和randrange4均∈{1,2,…,L}，L为序列长度；其中randrange1≠randrange2，randrange3≠randrange4；9.2)令a＝min(randrange1,randrange2)，b＝max(randrange1,randrange2)，s∈[a,b]；令c＝min(randrange3,randrange4)，d＝max(randrange3,randrange4)，p∈[c,d]；其中min表示取两个数的最小值，max表示取两个数的最大值；9.3)如果σ＞0.5，可以判定处于第一层搜索，用Crand2上位置a到位置b的片段的氨基酸s所对应的二面角phi、psi、omega替换Crand1的相同位置所对应的二面角phi、psi、omega；再使用Crand3上位置c到位置d的片段的氨基酸p所对应的二面角phi、psi、omega替换Crand1上相同位置所对应的二面角phi、psi、omega，然后将所得Crand1进行片段组装得到变异构象个体Cmutant；9.4)如果σ≤0.5，可以判定处于第二层搜索，则用Crand1上位置a到位置b的片段的氨基酸s所对应的二面角phi、psi、omega替换Cbest的相同位置所对应的二面角phi、psi、omega；再使用Crand2上位置c到位置d的片段的氨基酸p所对应的二面角phi、psi、omega替换Cbest上相同位置所对应的二面角phi、psi、omega，然后将所得Cbest进行片段组装得到变异构象个体Cmutant；10)对变异构象Cmutant执行交叉操作生成测试构象Ctrial：10.1)生成随机数rand4，rand5，其中rand4∈(0,1)，rand5∈(1,L)；10.2)若随机数rand4≤CR，Ctrial由变异构象Cmutant的片段rand5替换为目标构象Ctarget中对应的片段生成，否则Ctrial直接等于变异构象Cmutant；11)如果f(Ctrial)＜f(Ctarget)，则测试构象Ctrial替换目标构象Ctarget；12)判断是否满足终止条件，若满足则输出结果并退出，否则返回步骤5)。