定量序效模擬.pdf

1、定量序效模擬(QSAM)是定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)研究的一個(gè)新穎的分支學(xué)科，它主要從生物分子一級(jí)序列出發(fā)定量研究結(jié)構(gòu)與活性(性質(zhì))之間的內(nèi)在聯(lián)系，并給出恰當(dāng)?shù)暮瘮?shù)描述，從而達(dá)到對(duì)未知目標(biāo)功能預(yù)測(cè)及指導(dǎo)結(jié)構(gòu)修飾和改造等目的。本文從QSAM方法學(xué)研究入手，分別在肽/蛋白質(zhì)和核酸序列單元及整體結(jié)構(gòu)表征方法、配基．受體作用模式、虛擬疫苗庫(kù)設(shè)計(jì)、疏水作用色譜保留行為模擬、蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)理論等方面進(jìn)行了試探性研究，取得了一定成果。這些工作主要包

2、括以下幾個(gè)方面： ①?gòu)奶烊粔A基的36種性質(zhì)參數(shù)出發(fā)，通過(guò)主成分分析(PCA)技術(shù)處理得到了一個(gè)顯著的主成分得分，并將該得分作為單個(gè)堿基的信息描述子：VBPV。進(jìn)而使用VBPV對(duì)38個(gè)大腸桿菌(E.coli)，啟動(dòng)子序列一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)方法將表征參數(shù)與轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)強(qiáng)度(PS)成功地建立了定量序列-活性模型(QSAM)，該模型擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)r與交叉檢驗(yàn)復(fù)相關(guān)系數(shù)q分別為0.9712和0.9515。在此基礎(chǔ)上對(duì)靶標(biāo)序列進(jìn)行

3、了定點(diǎn)改造，得到了5條具有潛在啟動(dòng)活性的新型Ecoli啟動(dòng)子序列，該結(jié)果有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 ②使用天然氨基酸149個(gè)疏水性質(zhì)經(jīng)主成分分析得到了一種新氨基酸描述子：氨基酸廣義疏水標(biāo)度(GH-scale)。進(jìn)而使用GH-scale結(jié)合遺傳偏最小二乘(GA-PLS)算法對(duì)152個(gè)HLA-A<'*>0201限制性CTL表位進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)研究。所建模型擬合及交叉檢驗(yàn)復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為r<'2>=0.813和q<'2>=0.7

4、25。研究表明疏水作用在CTL表位與HLA-A*0201結(jié)合過(guò)程中扮演極其重要角色，而錨定殘基是該類(lèi)作用發(fā)生最顯著的部位。 ③將有機(jī)化合物中常見(jiàn)的原子按元素周期表的族和雜化狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)計(jì)算藥物分子內(nèi)部不同類(lèi)型原子之間的三類(lèi)非鍵相互作用(靜電、立體和疏水)得到一種新的旋轉(zhuǎn)平移不變性3D分子結(jié)構(gòu)表征方法方法：三維原子場(chǎng)全息作用矢量(3D-HoVAIF)。本文中采用3D-HoVAIF對(duì)58個(gè)血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)抑制劑和48

5、個(gè)苦味二肽進(jìn)行了系統(tǒng)的QSAR研究，所得GA．PLS模型的r<'2>，q<'2>，RMSEE和RMSCV分別為0.857，0.811，0.376和0.432和0.940，0.892，0.153和0.205，該結(jié)果優(yōu)于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道。采用D-optimal技術(shù)將兩組樣本平分為內(nèi)部訓(xùn)練集和外部測(cè)試集兩部分，在此基礎(chǔ)上對(duì)3D-HoVAIF進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，并將其與兩類(lèi)典型的肽序列表征方法(z-scale和ISA-ECI)加以對(duì)比研究，結(jié)果較為

6、滿意。進(jìn)一步采用所建模型對(duì)400個(gè)理論上可能存在的二肽分子的ACE抑制活性和苦味閥值進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)二肽類(lèi)物質(zhì)的ACE抑制活性與苦味強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此難以找到同時(shí)具備優(yōu)良藥效(ACE抑制活性較高)且口感舒適(苦味較低)的二肽化合物，可認(rèn)為采用二肽作為降血壓類(lèi)功能食品的有效成分并不理想。④通過(guò)定義HLA-A<'*>0201限制性CTL表位序列各個(gè)位點(diǎn)與HLA-A<'*>0201蛋白分子直接接觸殘基類(lèi)型以及配基與受

7、體之間的數(shù)種非鍵效應(yīng)計(jì)算公式，進(jìn)而構(gòu)建了CTL表位-HLA-A<'*>0201的4類(lèi)非鍵作用矩陣，在此基礎(chǔ)上提出并應(yīng)用基于結(jié)構(gòu)的定量構(gòu)效關(guān)系(SBQSAR)方法研究了266個(gè)HLA-A<'*>0201限制性CTL表位序列與活性之間的關(guān)系，所得GA-PLS模型與文獻(xiàn)報(bào)道及分子圖形學(xué)顯示情況符合良好。研究發(fā)現(xiàn)疏水作用和氫鍵在抗原識(shí)別及呈遞過(guò)程中扮演著重要的角色，并且這兩類(lèi)非鍵效應(yīng)在抗原肽錨定殘基處表現(xiàn)較為突出。 ⑤給出了基于定量序效

8、模型的計(jì)算機(jī)輔助虛擬疫苗庫(kù)設(shè)計(jì)方案，并以此為基礎(chǔ)成功設(shè)計(jì)了一個(gè)合理規(guī)模的HLA-A<'*>0201限制性CTL表位(抗原肽)庫(kù)，其實(shí)現(xiàn)流程如下：1)從天然氨基酸516種理化性質(zhì)經(jīng)主成分分析(PCA)得到了一種新的氨基酸描述子：氨基酸綜合性質(zhì)得分(SP-score)；2)基于SP-score結(jié)合遺傳一偏最小二乘(GA-PLS)技術(shù)建立定量序效模型(QSAM)；3)利用QSAM模型作為評(píng)價(jià)工具采用遺傳算法(GA)優(yōu)化CTL表位種群；4)統(tǒng)計(jì)

9、優(yōu)秀種群中20種氨基酸分別在抗原肽序列上不同位置的出現(xiàn)頻率f;5)保留f>F(F為隨機(jī)平均出現(xiàn)概率，對(duì)于任意氨基酸為1/20)的氨基酸作為該位置的有利殘基類(lèi)型參與虛擬組合庫(kù)的構(gòu)建。 ⑥將蛋白質(zhì)與疏水作用色譜(HIC)固定相相互作用分為直接非鍵/構(gòu)象作用和蛋白質(zhì)表面疏水效應(yīng)兩個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，從而定量給出了處于濃鹽析鹽水溶液中HIC保留時(shí)間與配基/蛋白質(zhì)結(jié)合自由能之間的二元線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上通過(guò)ICM柔性分子對(duì)接策略及遺傳算法(對(duì)2

10、7個(gè)已知晶體結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)與疏水配基的可能結(jié)合方式進(jìn)行模擬和分析，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)情況符合良好。研究表明蛋白質(zhì)局部疏水效應(yīng)以及配基與蛋白質(zhì)的非鍵/構(gòu)象作用皆對(duì)HIC色譜保留行為影響顯著，且作用區(qū)域多集中于蛋白質(zhì)表面突出部位。 ⑦采用SP-score對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)序列進(jìn)行矢量化描述，并以此定義基于向量形式的自相關(guān)函數(shù)以及引入Mercer核技術(shù)將該函數(shù)運(yùn)算空間進(jìn)行非線性變換，最終構(gòu)造了一種新的蛋白質(zhì)序列表征方法：核序列自相關(guān)函數(shù)(KS