[发明专利]一种基于构象多样性策略的蛋白质三维结构预测方法

摘要

一种基于构象多样性策略的蛋白质三维结构预测方法，在遗传算法的框架下，采用Rosetta标准协议；利用遗传算子对构象的loop区域进行操作，增强对loop区域的空间搜索；引入基于蛋白质二级结构信息的多样性指标，结合构象的能量值作为种群更新的选择标准，增强种群多样性的同时降低能量函数不精确带来的不利影响，从而预测出精度更高的近天然态构象。本发明提供一种预测精度较高的基于构象多样性策略的蛋白质三维结构预测方法。

主权项

1.一种基于构象多样性策略的蛋白质三维结构预测方法，其特征在于：所述蛋白质三维结构预测方法包括以下步骤：1)给定预测蛋白质序列信息；2)设置系统参数：种群规模N，种群的进化次数Gmax，重组概率pc，变异概率pm；3)第一阶段，种群初始化：迭代Rosetta协议第一阶段的片段组装，产生具有N个个体的初始种群令4)第二、三、四阶段基于相应的Rosetta协议，分别执行步骤5)至步骤9)；5)开始迭代，设g＝1，其中种群代数g∈{1,2,...,Gmax}；6)对种群Pnew中的每一个个体Pinew，其中i∈{1,2,...,N}，使用Rosetta协议相应阶段的片段组装进行构象搜索，产生下一代种群P＝{P1,P2,...,PN}，g＝g+1；7)对种群P中的个体执行遗传算子操作和局部搜索，产生新的种群P*，过程如下：7.1)对种群P中的个体随机两两配对，生成N/2对父本＜Pi,Pj＞，其中i,j均∈{1,2,...,N}，且i≠j；7.2)执行重组操作：对每一对父本，生成随机数rand1∈[0,1]；当rand1≤pc，随机交换Pi和Pj的一个loop区域的残基二面角值，产生对应的新构象个体Pi′,Pj′，所有父本执行完重组操作后形成新的种群P′；7.3)执行变异操作：对种群P′中的每一个个体Pi′，其中i∈{1,2,...,N}，进行变异，过程如下：7.3.1)检测个体Pi′的每一个滑动窗口Wik中是否含有二级结构为loop的残基，其中k∈{1,2,...,l‑f+1}，l表示蛋白质序列的长度，f∈{3，9}表示片段的长度，第二、三阶段f＝9，第四阶段f＝3；7.3.2)若Wik中含有二级结构为loop残基：生成随机数rand2∈[0,1]；rand2≤pm，执行一次片段插入，对该窗口中的loop残基进行变异；7.3.3)遍历完所有窗口后，产生新的个体Pi″；7.3.4)所有个体执行完变异操作后形成新的种群P″；7.4)执行局部搜索操作：对种群P″中的每一个个体Pi″，其中i∈{1,2,...,N}，使用Rosetta协议相应阶段的片段组装进行局部搜索，产生新的个体Pi*；所有个体执行完局部搜索操作后形成新的种群P*；8)生成候选个体集合其中M表示集合中的个体数量；计算每一个候选个体的能量和多样性其中t∈{1,2,...,M}；过程如下：8.1)候选个体的能量由Rosetta协议相应阶段的能量函数计算；8.2)候选个体的多样性其中均方根误差表示构象x_t和x_l的相似程度，l∈{1,2,...,M}；Γ＝＜γ₁,γ₂,...,γ_G＞表示构象的折叠状态，其中γ_e表示构象中二级结构元素间的位置关系，e∈{1,2,...G}；G＝2m(m‑1)，m表示构象中二级结构元素的个数；9)从候选个体集合中选择优秀个体进入下一代，过程如下：9.1)根据构象的能量和多样性对候选个体进行排序；执行M次循环排序，每次循环执行步骤9.2)；9.2)设h＝1,其中h∈{1,2,...,M‑1}，过程如下：9.2.1)生成随机数rand3∈[0,1]；9.2.2)若且交换和的位置，转至步骤9.2.7)；否则，执行步骤9.2.3)；9.2.3)若且交换和的位置，转至步骤9.2.7)；否则，执行步骤9.2.4)；9.2.4)若且且rand3≤0.5，交换和的位置，转至步骤9.2.7)；否则，执行步骤9.2.5)；9.2.5)若rand3≤0.5且交换和的位置，转至步骤9.2.7)；否则，执行步骤9.2.6)；9.2.6)若rand3＞0.5且交换和的位置，转至步骤9.2.7)；9.2.7)h＝h+1，若h≤M‑1，转至9.2.1)；否则，结束本次循环；9.3)执行完M次循环排序后，生成有序的候选个体集合9.4)选择集合的前N个个体形成下一代种群P^new；9.5)g＝g+1，若g≤Gmax，转至步骤7)；否则，结束本阶段循环；10)根据Rosetta协议输出预测结果。