劉廣斌,趙東欣,馬 麗,姜曰水,盧 奎,3*
( 1.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州450001; 2.曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東曲阜273165; 3.河南工程學(xué)院材料與化工學(xué)院,河南鄭州450007)
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計(jì)算機(jī)模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對(duì)接
劉廣斌1,趙東欣1,馬麗1,姜曰水2,盧奎1,3*
( 1.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州450001; 2.曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東曲阜273165; 3.河南工程學(xué)院材料與化工學(xué)院,河南鄭州450007)
摘要:研究使用ZDOCK算法進(jìn)行HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對(duì)接的準(zhǔn)確性.采用Accelrys Discovery Studio 3.5軟件計(jì)算平臺(tái),使用基于快速傅立葉轉(zhuǎn)換的ZDOCK分子對(duì)接程序進(jìn)行蛋白HsRAD51與乳腺易感基因BRCA2的重復(fù)基元BRC4的分子對(duì)接,然后使用RDOCK程序進(jìn)行結(jié)果優(yōu)化,最后將通過(guò)分子對(duì)接得到的幾個(gè)蛋白-多肽復(fù)合物的三級(jí)結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)報(bào)道的通過(guò)X射線(xiàn)測(cè)得的蛋白HsRAD51與BRC4復(fù)合物的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊合比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中一些結(jié)構(gòu)的疊合效果較好,碳鏈骨架疊合的RMSD最小的為0.034 4 nm.推測(cè)使用ZDOCK分子對(duì)接程序來(lái)進(jìn)行HsRAD51蛋白與多肽的對(duì)接,具有較高的準(zhǔn)確性.該結(jié)果為今后研究HsRAD51蛋白與BRCA2其他重復(fù)基元的分子對(duì)接以及相互作用提供了重要依據(jù).
關(guān)鍵詞:HsRAD51; BRC4; BRCA2; ZDOCK;分子對(duì)接
BRCA2蛋白與抑癌基因中的RAD51、P53蛋白等具有較強(qiáng)的相互作用,與多種腫瘤的發(fā)生具有較強(qiáng)的相關(guān)性[1-2];同時(shí)BRCA2蛋白是修復(fù)DNA損傷的一種關(guān)鍵蛋白,可以參與多種基因表達(dá)的調(diào)節(jié)[3-5].人的BRCA2蛋白與其他哺乳動(dòng)物的BRCA2蛋白具有很高的同源性,其中包括8個(gè)序列高度保守的重復(fù)基元( BRC),每個(gè)重復(fù)基元有35個(gè)左右的氨基酸殘基.研究BRCA2蛋白中的重復(fù)基元與功能分子之間的相互作用,可以為我們探索腫瘤的發(fā)病機(jī)理以及開(kāi)發(fā)腫瘤多肽類(lèi)藥物提供重要的指導(dǎo)[6-7].
目前,BRCA2蛋白的8個(gè)BRC重復(fù)基元以及重復(fù)基元的突變體中只有BRC4與HsRAD51蛋白的晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)X射線(xiàn)的方法被準(zhǔn)確測(cè)定[8].本文作者利用已被確定具體結(jié)構(gòu)的HsRAD51蛋白和BRC4復(fù)合物的3D結(jié)構(gòu),從中提取出HsRAD51蛋白結(jié)構(gòu)模型和多肽BRC4結(jié)構(gòu)模型,使用ZDOCK來(lái)計(jì)算兩者的結(jié)合模式[9],并將計(jì)算的結(jié)果使用RDOCK算法進(jìn)行優(yōu)化,最后將所得復(fù)合物結(jié)構(gòu)與真實(shí)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疊合比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用分子對(duì)接得到的復(fù)合物結(jié)構(gòu)可以與已知的晶體復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的疊合.
1.1蛋白與多肽結(jié)構(gòu)的處理
從蛋白質(zhì)晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中下載HsRAD51-BRC4的蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)( PDB: 1N0W),然后在Accelrys Discoverys Studios 3.5平臺(tái)下對(duì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理,刪去其中的水分子以及小分子配體化合物,使用系統(tǒng)平臺(tái)自帶的Prepare protein工具對(duì)其進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最后將優(yōu)化后晶體結(jié)構(gòu)中HsRAD51蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)和BRC4的三級(jí)結(jié)構(gòu)提取出來(lái).
1.2分子對(duì)接
使用Accelrys Discoverys Studios 3.5平臺(tái)自帶的ZDOCK模塊進(jìn)行受體HsRAD51蛋白與配體BRC4多肽的分子對(duì)接.在計(jì)算參數(shù)的設(shè)置中歐拉轉(zhuǎn)角為6°,設(shè)置結(jié)合模式“Top Poses”為2 000,“RMSD Poses”參數(shù)為1.0 nm,結(jié)合構(gòu)型聚類(lèi)的最大數(shù)目“Maxium Number of Clusters”參數(shù)為100,其他參數(shù)均使用缺省值,然后進(jìn)行計(jì)算,得到HsRAD51蛋白與BRC4可能的結(jié)合位點(diǎn)圖(圖1).從圖1中可以看出ZDOCK計(jì)算出兩者有很多種可能的對(duì)接模式.
圖1 HsRAD51蛋白與BRC4結(jié)合位點(diǎn)圖Fig.1 The binding sites image of HsRAD51 and BRC4
ZDOCKScore得分越高,說(shuō)明對(duì)接模式可能越接近真實(shí)情況.選取其中ZDOCKScore超過(guò)15分的結(jié)合位點(diǎn),然后使用RDOCK程序進(jìn)行進(jìn)一步的能量?jī)?yōu)化.E_RDOCK值越低說(shuō)明RDOCK的對(duì)模型的評(píng)分越高,很有可能與真實(shí)的對(duì)接構(gòu)象比較接近.結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZDOCKScore排名前五個(gè)結(jié)合模式Pose1、Pose2、Pose3、Pose4、Pose5經(jīng)過(guò)RDOCK優(yōu)化后按照能量穩(wěn)定性排名結(jié)果分別變?yōu)?、3、9、1、2(表1),也就是說(shuō)結(jié)合模式的排名發(fā)生了比較大的變化.
表1 RDOCK優(yōu)化后的部分結(jié)合位點(diǎn)( ZDOCKScore>15)的E_RDOCKTable 1 The E_RDOCK of some binding sites( ZDOCKScore>15) refined by RDOCK
1.3模擬結(jié)構(gòu)與真實(shí)構(gòu)象的疊合
將RDOCK優(yōu)化后的32種結(jié)合模式與真實(shí)蛋白-多肽復(fù)合物的構(gòu)象1N0W使用superimpose程序進(jìn)行疊合比較(圖2),結(jié)果發(fā)現(xiàn)13種結(jié)合模式主碳鏈均可以與真實(shí)蛋白-多肽復(fù)合物1N0W進(jìn)行很好的疊合,主碳鏈疊合RMSD均小于0.1 nm(表2).從圖2中看出13種結(jié)合模式與真實(shí)的復(fù)合物構(gòu)象的疊合程度較高,一些結(jié)合模式有較大的偏差.
圖2 RDOCK優(yōu)化后的32種結(jié)合模式和1N0W疊合圖Fig.2 The superimpostion image of 1N0W and 32 kinds of binding models refined by RDOCK
表2 RDOCK優(yōu)化后的32種結(jié)合模式和1N0W主碳鏈疊合比較結(jié)果Fig.2 The results of main-chain superimposition between 1N0W and 32 kinds of binding models refined by RDOCK
2.1使用計(jì)算模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對(duì)接的準(zhǔn)確性
ZDOCK是基于傅立葉快速轉(zhuǎn)換技術(shù)( FFT)的大分子剛性對(duì)接算法,并且充分考慮了配體分子的柔性,在大分子-大分子的分子對(duì)接中具有很高的準(zhǔn)確性;而RDOCK算法是基于CHARMM力場(chǎng)能量的最小化以及使用有靜電勢(shì)能和去溶劑化能組成的自由能打分函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)合位點(diǎn)準(zhǔn)確性的方法[10].)從實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),ZDOCK的得分值最高的復(fù)合物結(jié)構(gòu)( Pose1)與1N0W的結(jié)構(gòu)差異較小,是接近真實(shí)構(gòu)象的結(jié)構(gòu);但經(jīng)過(guò)RDOCK優(yōu)化后所得的復(fù)合物結(jié)構(gòu)( Pose4)與1N0W疊合的RSMD最小,是所得的最接近真實(shí)構(gòu)象的結(jié)構(gòu).也就是說(shuō),使用RDOCK程序來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化ZDOCK分子對(duì)接得到模型可以進(jìn)一步提高分子對(duì)接預(yù)測(cè)的可靠性.
另外在模擬實(shí)驗(yàn)中,我們使用ZDOCK進(jìn)行蛋白質(zhì)與多肽的分子對(duì)接,然后使用RDOCK進(jìn)行大分子分子對(duì)接結(jié)果的優(yōu)化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)13種結(jié)合模式的碳骨架都與已知的晶體結(jié)構(gòu)1N0W的疊合RMSD均小于0.1 nm,也就是說(shuō)使用ZDOCK來(lái)進(jìn)行重復(fù)基元BRC4與HsRAD51蛋白的分子對(duì)接然后使用RDOCK程序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化的模擬方法具有較高的準(zhǔn)確性.
2.2使用計(jì)算模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對(duì)接對(duì)其他BRC分子研究的意義
目前,關(guān)于BRCA2的重復(fù)單元與抑癌基因HsRAD51以及P53的研究,主要是通過(guò)氨基酸飽和突變[8]、酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)( Elasa)[11-12]、嵌合體[13]、免疫共沉淀[14]、三維電鏡結(jié)構(gòu)分析[15]等實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行,而本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為使用計(jì)算模擬研究包括BRC4在內(nèi)的BRCA2重復(fù)基元與HsRAD51以及P53的相互作用機(jī)制提供了分子對(duì)接依據(jù).
BRCA2的8個(gè)重復(fù)基元的氨基酸序列如下[6]:
由于各個(gè)重復(fù)基元與BRC4的序列一致性分別為: 28.6%、34.3%、45.7%、100.0%、25.7%、34.3%、37.1%、42.9%.蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的保守性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一級(jí)序列的保守性[16],因此各個(gè)重復(fù)基元可能與重復(fù)基元BRC4有著非常相近的三級(jí)結(jié)構(gòu).由于序列一致性絕大多數(shù)都大于30%,我們可以通過(guò)蛋白質(zhì)同源建模的方法來(lái)使用BRC4的三級(jí)結(jié)構(gòu)作為模版來(lái)建立其他重復(fù)基元的三級(jí)結(jié)構(gòu),然后將建立的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化后使用ZDOCK算法與蛋白進(jìn)行分子對(duì)接,找到最可能的結(jié)合模式,并進(jìn)行進(jìn)一步的虛擬突變篩選,最后再通過(guò)化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)而為發(fā)現(xiàn)BRCA2重復(fù)基元以及突變體與蛋白的真正結(jié)合模式、作用機(jī)制以及真實(shí)構(gòu)象提供基礎(chǔ).
模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,使用ZDOCK及RDOCK算法進(jìn)行HsRAD51蛋白與BRCA2重復(fù)基元BRC4的分子對(duì)接進(jìn)行結(jié)合模式的預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性,可以用這種方法預(yù)測(cè)HsRAD51蛋白與BRCA2其他重復(fù)基元的結(jié)合模式.
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[責(zé)任編輯:吳文鵬]
Computer simulation of the molecular docking between HsRAD51 and BRC4
LIU Guangbin1,ZHAO Dongxin1,MA Li1,JIANG Yueshui2,LU Kui1,3*
( 1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450051,Henan,China;
2.School of Life Science,Qufu Normal University,Qufu 273165,Shandong,China;
3.School of Material and Chemical Engineering,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 450057,Henan,China)
Abstract:The accuracy of the molecular docking between HsRAD51 and BRC4 was studied by using the procedure ZDOCK.Based on the software Accelrys Discovery Studio 3.5 computing platform,the molecular docking between HsRAD51 and BRC4 was carried out,then the docking results were refined by the procedure RDOCK.In the process of superimposing those binding modes with the real conformation confirmed by X-ray,it was found that some binding modes were consistent with the reference complex conformation and the minimal RMSD of main-chain superimposition was 0.034 4 nm.It indicated that the molecular docking using ZDOCK had a better accuracy.Those results are significant for studying the molecular docking and interaction between HsRAD51 and other BRCA2 repeat motifs in the future.
Keywords:HsRAD51; BRC4; BRCA2; ZDOCK; moleculardocking
作者簡(jiǎn)介:劉廣斌( 1983-),男,碩士生,主要從事化學(xué)生物學(xué)方面的研究.*通訊聯(lián)系人,E-mail: lukui126@ 126.com.
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金( 21172054,21572046,21301050).
收稿日期:2015-10-15.
中圖分類(lèi)號(hào):O629.7
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1008-1011( 2016) 01-0097-05