面向多糖化合物的分子對接算法設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u24796面向多糖化合物的分子對接算法設(shè)計 117641.1.基于多糖化合物分子空間結(jié)構(gòu)提出的改進(jìn)方向 1146891.2.新增分子對接技術(shù)中的能量參數(shù) 2124461.3.基于柔性分子對接技術(shù)提出的改進(jìn)方法 4270041.4.評分函數(shù)中添加CHI能量函數(shù) 5基于多糖化合物分子空間結(jié)構(gòu)提出的改進(jìn)方向多糖是由多個單糖分子失水、縮合而成，是一類分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大的糖類物質(zhì)。結(jié)構(gòu)單位之間以苷鍵相連接，常見的苷鍵有α-1，β-1，4-和α-1，6-苷鍵。結(jié)構(gòu)單位可以連成直鏈，也可以形成支鏈，直鏈一般以α-1，4-苷鍵（如淀粉）和β-1，4-苷鍵（如纖維素）連成；支鏈中鏈與鏈的連接點(diǎn)常是α-1，6-苷鍵。圖21糖苷鍵由于連接單糖的兩個或三個可旋轉(zhuǎn)的糖苷鍵具有一定的靈活性，其連接角度受到了由碳水化合物特定的立體電子和溶劑決定的一個定義良好的構(gòu)象子集?溶質(zhì)相互作用，從而在現(xiàn)實(shí)生活中僅存在固定角度的糖苷鍵。而分子對接技術(shù)目的在于預(yù)測大分子和配體之間的各種非共價相互作用模式，并根據(jù)結(jié)合能或分?jǐn)?shù)對結(jié)果進(jìn)行排序，在對接中使用的能量函數(shù)是各種非共價鍵相互作用（即靜電、范德華、氫鍵和疏水相互作用）的總和。而這種能量函數(shù)僅考慮到非共價鍵相互作用，導(dǎo)致對接結(jié)果出現(xiàn)不正常的糖苷角，使得對接結(jié)果出現(xiàn)不自然的結(jié)構(gòu)扭曲?；谀壳皩蛹夹g(shù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)扭曲問題，需要參考多糖化合物自身的空間結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行調(diào)整，由于對接過程中難以實(shí)時控制對接模型的三維結(jié)構(gòu)，因此需要選擇可以量化的數(shù)值對模型進(jìn)行修正，建立一個約束范圍，超離這一范圍值的構(gòu)象視作沒有現(xiàn)實(shí)參考性，直接拋棄這部分構(gòu)象，從而降低篩選過程中的壓力。依據(jù)糖苷鍵翻轉(zhuǎn)過程中釋放能量的特點(diǎn)，選擇以能量作為參考值，對模型進(jìn)行修正。新增分子對接技術(shù)中的能量參數(shù)本文實(shí)驗(yàn)通過AutoDockVina開展，調(diào)用Vina環(huán)境下的分子對接技術(shù)，參照MoalIH，ChaleilR等人提出的使用SwarmDock柔性蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)對接方法對接蛋白質(zhì)的實(shí)用指南，其中概述了在決定對接是否可能成功時需要考慮的因素、結(jié)構(gòu)輸入的準(zhǔn)備、對接姿勢的生成、對接姿勢的分析和排序，以及使用外部數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的方式[13]。由于適用于廣泛配體的對接算法無法結(jié)合配體特定的構(gòu)象能量，因此造成了實(shí)際對接結(jié)果中出現(xiàn)糖苷角扭曲問題。選擇以能量作為切入點(diǎn)，通過引入外部數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)懲罰機(jī)制，以此減少不合理的對接構(gòu)象。根據(jù)低聚糖的糖苷扭轉(zhuǎn)角值量化低聚糖的構(gòu)象特性，已開發(fā)了一組碳水化合物固有（CHI）能量函數(shù)，CHI能量函數(shù)預(yù)測的相對能量反映了蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中單糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物調(diào)查確定的糖苷鍵構(gòu)象分布[14]。圖22實(shí)驗(yàn)證實(shí)CHI能量函數(shù)預(yù)測的相對能量反映碳水化合物的糖苷扭轉(zhuǎn)角分布根據(jù)已有的低聚糖結(jié)構(gòu)，CHI能量函數(shù)可用于估算糖苷鍵相對于其最低能量構(gòu)象的任何扭曲所產(chǎn)生的能量。通過實(shí)驗(yàn)證明，大多數(shù)識別低聚糖的蛋白質(zhì)選擇低能的糖苷鍵構(gòu)象，這說明偏向低能連鎖構(gòu)象的選擇應(yīng)該是提高正確姿勢預(yù)測的可能性[15]。由于蛋白質(zhì)往往依靠疏水相互作用驅(qū)使折疊成能量最低的狀態(tài)，因而構(gòu)建低能構(gòu)象成為篩選對接構(gòu)象的重要參考因素。以CHI能量函數(shù)作為基礎(chǔ)，引入兩個可調(diào)參數(shù)，即影響CHI能量懲罰大小的CHI能量權(quán)重項(xiàng)（CHI_系數(shù)）和否定低于指定值的CHI能量懲罰的CHI截止項(xiàng)（CHI_截止）[16]，通過這兩個參數(shù)的約束來保證生成的構(gòu)象能量不會超過一定范圍值。CHI能量權(quán)重項(xiàng)通過加強(qiáng)糖苷鍵能量在能量函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)，增強(qiáng)分子對接中對于糖苷鍵能量偏好的比重，CHI系數(shù)對超出CHI能量曲線局部極小值的扭轉(zhuǎn)施加了更高的懲罰，從而減少了對接期間非理想低聚糖構(gòu)象的產(chǎn)生，提高在對接過程中生產(chǎn)出符合現(xiàn)實(shí)糖苷鍵能量需求的對接結(jié)果的概率。在對接過程中，低聚糖可能會因誘導(dǎo)擬合而發(fā)生構(gòu)象變化，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)穩(wěn)定的情況，從而導(dǎo)致糖苷鍵偏離理想的低能值[17]。使用接近勢能最小值（由CHI_截止項(xiàng)定義）的平底CHI勢能，可以在沒有內(nèi)能懲罰的情況下進(jìn)行誘導(dǎo)擬合。設(shè)置CHI截止項(xiàng)作為最低閥值，能量高于此值會出現(xiàn)構(gòu)象不穩(wěn)定的情況，則所得對接結(jié)果需要被舍棄。圖23引入CHI能量系數(shù)后糖苷角的原始VC曲線基于柔性分子對接技術(shù)提出的改進(jìn)方法分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度大致可以分為三類：1.剛性對接：研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化，僅改變分子的空間位置與姿態(tài)；2.半柔性對接：允許在一定范圍內(nèi)變化，但通常會固定大分子的構(gòu)象，小分子構(gòu)象的調(diào)整也可能受到一定程度的限制；3.柔性對接：允許研究體系的構(gòu)象自由變化。柔性分子對接技術(shù)常應(yīng)用于精確研究分子之間的識別情況，由于允許對接體系的構(gòu)象變化，變量隨著體系的原子數(shù)呈幾何級數(shù)增長，可以提高對接準(zhǔn)確性但計算量非常大[18]。柔性分子對接技術(shù)在對接過程中采用基于分子力學(xué)和分子動力學(xué)的分子對接方法，保證研究體系的構(gòu)象可以自由變化，能夠以各種對接角度進(jìn)行自由對接?，F(xiàn)有的應(yīng)用于多糖化合物的分子對接技術(shù)廣泛采用柔性對接方法，而在實(shí)際對接結(jié)果中，打分函數(shù)評分較高的對接結(jié)果往往并不具有實(shí)際可行性。其原因在于多糖化合物對接時不同的對接角度會產(chǎn)生不同的空間結(jié)構(gòu)，造成因界面分子間的相互作用而產(chǎn)生的界面結(jié)構(gòu)的變化，也沒有對剛性對接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行界面的構(gòu)象搜索，評分函數(shù)常常忽視其不正確的結(jié)合能和姿勢而給出錯誤的評分排序[19]。計算機(jī)虛擬模擬時采用了全部的對接角度，而實(shí)際多糖化合物之間的糖苷角有固定的角度限制和能量約束，這些條件在現(xiàn)有的對接技術(shù)中并未列入?yún)⒖柬?xiàng)，導(dǎo)致對接結(jié)果產(chǎn)生不正常的糖苷角。柔性對接技術(shù)中通過隨機(jī)組合產(chǎn)生大量的對接構(gòu)象，而后通過評分函數(shù)對這些構(gòu)象進(jìn)行打分，根據(jù)打分情況判斷構(gòu)象的可行性程度。隨機(jī)產(chǎn)生的對接構(gòu)象中很多不符合現(xiàn)實(shí)多糖化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但是柔性對接技術(shù)中現(xiàn)有的評分函數(shù)并不能有效判斷結(jié)構(gòu)是否合理，因此，需要根據(jù)多糖化合物的界面結(jié)構(gòu)特性來修正柔性對接技術(shù)，提升能量約束條件在評分機(jī)制中的重要性，實(shí)現(xiàn)通過能量約束限制空間結(jié)構(gòu)的目的。評分函數(shù)中添加CHI能量函數(shù)本文實(shí)驗(yàn)通過AutoDockVina開展，使用vina環(huán)境下的已有的評分函數(shù)，并進(jìn)行修正。利用AutoDockVina會自動計算柵格地圖，并以對用戶透明的方式對結(jié)果進(jìn)行聚類的功能特點(diǎn)[20]，對比化展示修正前后的評分結(jié)果。AutodockVina的打分接近于機(jī)器學(xué)習(xí)的形式，打分函數(shù)中含有兩個高斯函數(shù)項(xiàng)，一個線性相關(guān)的疏水作用項(xiàng)，一個線性相關(guān)的氫鍵項(xiàng)，一個罰分項(xiàng)，最后將代表分子柔性的旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)目分布到前面5項(xiàng)中。在運(yùn)算過程中沒有用LJ勢計算范德華力，沒有靜電相互作用[21]。圖24有代表性的分子對接方法及其評價函數(shù)小分子自動對接程序的性能在概念上分為對接能力、評分能力、排名能力和篩選能力，分別側(cè)重于對接程序的晶體位姿預(yù)測、親和力預(yù)測、配體排名和數(shù)據(jù)庫篩選能力?；鶞?zhǔn)測試表明，不同的對接程序可以在單個基準(zhǔn)測試中脫穎而出，這表明程序使用的評分函數(shù)可以針對特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化[22]。姿勢生成誤差通常被量化為對接軟件生成的姿勢幾何形狀與所考慮蛋白質(zhì)共結(jié)晶的同一分子幾何形狀之間的差異，要調(diào)整這種誤差，可以采用重新對接的姿勢（而不是共同結(jié)晶的姿勢）校準(zhǔn)評分函數(shù)。通過這種方式，可以直接了解Vina生成的蛋白質(zhì)配體姿勢與其結(jié)合親和力之間的關(guān)系，使得測試集的性能更接近于預(yù)測綁定親和力的性能[23]。圖25不同糖苷角對應(yīng)的能量不同糖類分子內(nèi)部糖苷鍵旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生能量，CHI能量函數(shù)將相對能量分配給糖苷鍵的扭轉(zhuǎn)角，CHI能量分布與蛋白質(zhì)中糖苷扭轉(zhuǎn)角的分布一致。參考聚糖中連接單糖的多個糖苷鍵的實(shí)際糖苷角，根據(jù)其定義良好的構(gòu)象子集-溶質(zhì)相互作用特點(diǎn)，將對應(yīng)的能量函數(shù)作為評價指標(biāo)之一。先前關(guān)于碳水化合物對接的研究已經(jīng)通過重新校準(zhǔn)現(xiàn)有術(shù)語或包含模擬蛋白質(zhì)特定特征的附加功能生成了定制的評分功能?碳水化合物相互作用。參考包