一種基于病毒三維重建進行分子模擬研究的基本思路

李晶，趙海燕，李鯤鵬

1. 成都軍區昆明總醫院 設備科，云南昆明 650032；2.云南省第一人民醫院眼科，云南 昆明 650032；3.中山大學生物防治國家重點實驗室, 廣東 廣州510275

近年來，病毒的傳播和變異使人類的生命健康受到威脅，甚至造成社會的動蕩不安。解析病毒的三維結構，對疾病的防治及抗病毒藥物的開發有重要意義。病毒是最簡單的生物系統，它具有生命體的某些特性，如具有基因組，能繁殖、進化、適應環境改變等。自從1892年伊凡諾夫斯基第一次發現煙草花葉病毒（TMV）以來，對病毒的形態和結構研究就一直是病毒學研究的主要課題。病毒結構多種多樣，本項目側重研究與人類疾病有關的二十面體對稱型病毒。該病毒的功能與其特定的空間結構有關，尤其是與活性區域的結構有著密切關系。大部分病毒由蛋白衣殼以及核酸組成。病毒衣殼基因主要作用就是作為合成衣殼蛋白的模板。衣殼蛋白對病毒的復制起重要作用。因此，測定解析病毒蛋白衣殼結構，預測蛋白的運動變化，可以從根本上了解病毒結構從而控制病毒。

1 研究現狀

分子模擬是另外一項對蛋白結構預測的技術。分子模擬是以實驗測試的結構為模板，建立原子水平的模擬模型，再根據原子分子物理化學原理，預測蛋白質的結構。模擬模型和運算原理由力場和算法來體現。力場是模型的體現，算法體現所運用的物理化學原理核心是“能量最低狀態”。而利用分子模擬技術，結合計算機圖形技術可以更形象、更直觀地研究蛋白質等生物大分子的結構。分子模擬能夠在實驗測定的基礎上，更加精細的解析蛋白分子動態結構，繼而更改及設計出性能符合人們要求的新結構，其重要意義是不言而喻的。在國外它一直是個研究熱點，主要集中于對模擬模型的建立和算法的優化研究上[1]。模擬模型試圖不斷地接近真實的原子結構[2]，出現了MM系列力場、AMBER力場、CHARMm力場以及第二代力場。算法方面的研究主要側重對經典算法的改進提高[3]。核心算法還是圍繞量子力學方法、分子力學法、蒙特卡洛法、分子動力學等方法。其中，分子動力學能研究體系中與時間和溫度有關的性質，對動態特性的研究更顯優勢。還有一些直接由一級結構直接預測蛋白質空間結構的純計算方法包括遺傳算法[4]、模擬退火[5]、多維統計[6]、模糊集合論方法[7]等。這些模型和方法都存在實用方面的局限以及預測精度欠佳等問題[8-10]。國內分子模擬的研究相對于國外起步較晚，分子模擬多為直接應用軟件Insight II和Quanta等來進行。現有的研究中，以電鏡為基礎進行的預測，多為用單純的電鏡結構與分子模擬結構擬和進行比對來對分子結構進行預測。而把電鏡結構數據作為邊界條件，加之一定力場，結合分子動力學方法所進行的分子模擬計算，未見相關報道。

綜合上述各種方法的現狀及發展趨勢可知：利用電鏡對蛋白結構的解析有分辨率在逐步提高，并適用范圍逐步擴大。由于分辨率的限制，電鏡對蛋白分子結構的解析，只能比喻為一張對蛋白分子結構輪廓的靜態照片。若加之分子模擬技術則可以描述出分子結構的動態圖像。進而描述蛋白分子結構的行為和變化。這種技術對揭示蛋白質的結構和功能關系、總結蛋白質結構的規律、預測蛋白質肽鏈折疊和蛋白質結構等，都是有力的促進。因此，本項目提出以電鏡結構數據為基礎的分子模擬研究，就是以電鏡結構數據作為邊界條件，參與分子模擬的計算。分子模擬使用CHARMm力場，應用分子動力學方法進行蛋白結構的解析預測，最終用三維圖像顯示技術，將蛋白序列與電鏡結構擬和顯示出來。

2 研究方法

2.1 本項目的基本思路

用電子顯微學方法得到病毒的三維結構密度圖，進行局部分割顯示，尤其是對功能域進行局部的分割、控制與計算，得到病毒的外圍結構數據。以此為邊界條件，結合分子生物學對序列的測定，使用CHARMm力場，應用分子動力學方法進行蛋白結構的解析預測。再用三維圖像顯示技術對各個部分所得結構進行嵌和顯示。

2.2 研究目的

目的在于解析蛋白分子空間結構，了解它的結構功能關系，為病毒的防治提供基礎數據。

2.3 數據獲取

用單顆粒技術方法研究的樣品包括：濃核病毒、家蠶質多角體病毒、中鋒囊狀病毒。對它們進行電鏡三維重建，得到三維結構數據的分辨率分別為：1.4 nm、2.5 nm、2.5 nm（前期的研究已經獲得該項數據）。

2.4 數據處理

（1）將病毒進行任意區域的分割、控制及形態計算。

（2）用分子動力學中混合蒙特卡羅模擬方法，建立蛋白結構的數學模型。將分割后的病毒形態作為邊界約束，采用形態匹配，預測病毒功能結構域空間分布，獲得每個任意局部和氨基酸序列的對應關系。

（3）統一結構坐標，將病毒的X射線晶體衍射三維結構數據與冷凍電鏡三維重構的電子云密度圖進行擬和。

（4）比較分子模擬與晶體衍射結構，以驗證方法和算法的正確性。

3 結束語

本項目選擇材料有濃核病毒、登革病毒、家蠶質多角體病毒、中鋒囊狀病毒作為研究材料，重點以家蠶質多角體病毒衣殼蛋白VP3實例進行分子模擬預測。本項目綜合國內外的研究狀況，結合自身的研究基礎，基于病毒重建三維結構數據，進行計算機分子模擬。這個方面的研究在世界范圍內也是近幾年才起步的，而基于電子顯微學方法進行病毒的三維重建，結合分子動力學方法所進行的分子模擬研究，尚未見報道。如獲得經費資助，經過努力，可以在現有技術的基礎上，建立基于電鏡數據的分子模擬，實現對病毒等大分子蛋白復合物二、三級結構的預測，在分子水平上對蛋白質任意局部分割，量化計算，控制改變任意局部的空間位置，為疾病的防治和藥物的開發奠定基礎。

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