馬學婧* 李俊甫 宋立立 張兆英 王 悅 孫琳琳

(滄州師范學院生命科學學院,河北 滄州061001)

Chimera 由美國加州大學舊金山分校的生物計算可視化和信息學中心開發(fā),并得到了美國國立衛(wèi)生研究院的部分支持[1]。作為一個可高度延伸的程序,它可應用于密度圖、超分子組裝、序列比對、對接結果、軌跡和構象集合,也可以生成高質量圖像和動畫[2-4]。Chimera 的官方網(wǎng)站(http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/)上可以查閱快速入門、用戶手冊、命令行索引和一些教程與視頻,還可以觀賞用該軟件制作的圖片和動畫。在下載頁面,它還提供了Windows,Mac 和Linux 三個版本供學術、政府和非營利機構和個人使用者免費下載使用。Chimera 功能強大,界面友好,可幫助沒有編程基礎的教師和科研人員利用其提供的多種模塊化工具進行簡單的分子動力學模擬,并且可用于多種操作系統(tǒng),無需購買昂貴的服務器也可以滿足基本的分析需求。因此,本文將對基于Chimera 軟件的分子動力學模擬方法進行闡述。

1 蛋白質結構準備

1.1 蛋白質結構可視化

首先打開一個已經(jīng)下載的蛋白質結構文件(后綴為.PDB)或選擇Fetch by ID,輸入蛋白質結構的ID 調入蛋白質結構文件。在Presets 中根據(jù)需要選擇展示模式。在Select 中,Chain 選項可以選擇蛋白質復合物不同的鏈；Chemistry 選項可以根據(jù)化學性質,如元素、功能基團和原子軌道對蛋白質進行選擇；Residue 選項可以對20 種標準氨基酸進行選擇,也可以按照性質對某一類氨基酸進行選擇；Structure 選項可以對蛋白質的骨架、離子、配體、核酸和特定的二級結構等進行選擇。選擇完畢后,可應用Actions 中的工具對選定的對象進行編輯,如：Atoms/Bonds 選項可以隱藏或顯示原子或鍵,設置顯示模式為棍型、球棍型等；Ribbon 選項可以隱藏或顯示蛋白質的某一部分,還可以改變帶狀模式的類型；Surface 選項可以隱藏或顯示蛋白質的表面,并設置顯示模式和透明度；Color 選項可以對選中的對象進行上色；Label 選項可以對原子、氨基酸殘基進行標注,且可自主選擇標注的格式。按住鼠標左鍵可對結構進行旋轉,按住滾輪可拖動結構改變其位置,上下滑動滾輪可對圖像放大或縮小。圖1 展示了Chimera 對蛋白質結構的可視化。

圖1 蛋白質結構的可視化

1.2 突變蛋白質結構預測

對于突變蛋白的分子動力學模擬,首先需要人工對蛋白質的特定位點進行氨基酸的置換,并預測突變后的蛋白質結構。打開Tools... Sequence 工具,選擇要顯示序列的鏈,在序列上選定要突變的氨基酸,并通過Structure Editing tool 工具中的Rotamers 進行突變。選定要置換的氨基酸種類,點擊Apply 之后出現(xiàn)多個具有實驗統(tǒng)計可能性的結構,選擇不會與其他氨基酸碰撞的最可能的結構,通常是第一個。最后通過File... Save PDB 對點突變蛋白質結構進行保存。圖2 展示了突變位點的多個可能性結構。

圖2 突變蛋白質結構預測

1.3 蛋白質結構精煉

無論野生型蛋白質還是突變蛋白質,在進行分子動力學模擬之前需要對結構進行精煉。Chimera 使用Tools... MD/Ensemble Analysis 中的Prep Structure ... Dock Prep 工具精煉蛋白質。參數(shù)設置包括刪除溶劑,替換不完整的側鏈,添加氫和電荷,僅保持最高的占有率,以及將蛋氨酸/蛋氨酸/溴代-UMP轉化為UMP、甲基硒代-dUMP 轉化為UMP、甲基硒代-dCMP 轉化為CMP。當添加氫時,每個模型都被認為與所有其它模型隔離開,并且還考慮了氫鍵。組氨酸,谷氨酸,天冬氨酸,賴氨酸和半胱氨酸的質子化狀態(tài)是基于殘基名稱的。添加電荷時,標準殘基根據(jù)AMBER ff14SB,其他殘基根據(jù)AM1-BCC。圖3 為精煉后的蛋白質結構。

圖3 蛋白質結構精煉

2 分子動力學模擬

2.1 參數(shù)設置

將所有的復合物在具有TIP3P 水的尺寸(?)為a:10×b:10×c:10 的三斜盒中溶解,溶劑和盒子尺寸可以根據(jù)研究需要進行修改。添加適當數(shù)量的抗衡離子以中和系統(tǒng)的電荷。Electrostatic interaction method 和Lennard-Jones interaction method 的力場選項設置為默認值。然后,通過執(zhí)行100 個最陡峭的下降步長(0.02?),然后執(zhí)行10 個共軛梯度步長(0.02?),將復合物最小化。平衡步驟的默認設置為5000 個步長,時間步長為1 fs,步長數(shù)目和步長時間可根據(jù)研究需要進行修改,溫度控制方法是Heater(298 K, 10 K/ps),輸入文件保存目錄,目錄中不能含有中文字符。生產(chǎn)步驟的默認設置為5000 個步長,時間步長為1 fs,步長數(shù)目和步長時間可根據(jù)研究需要進行修改,通過耦合到Nose thermostat 保持溫度,松弛時間設置為0.2 ps。通過使用Andersen barostat 將恒定壓力保持在1 bar,松弛時間設置為1.5 ps,輸入文件保存目錄,目錄中不能含有中文字符。最后點擊Run,軟件即按照設定的參數(shù)運行。

2.2 結果導出

模擬結束后,會自動彈出MD Movie 對話框。通過File...Save PDB, 可保存任意一幀的蛋白質結構。通過File... Record movie,可以導出模擬動畫視頻。均方根偏差和勢能通過Analysis... Plot... RMSD 和Potential Energy 進行分析。圖4 展示了分子動力學模擬后均方根偏差和勢能分析圖。

3 殘基相互作用分析

圖4 均方根偏差和勢能分析

使用Cytoscape 3.6.0 的殘基相互作用分析應用程序進行蛋白質結合分析。將StructureViz 下載并安裝在Cytoscape 的Apps中。然后,通過StructureViz 啟動Chimera。輸入MMTK 格式的NetCDF 軌跡文件Production(名為prod.nc 的文件)以啟動MD Movie。Analysis... Cluster 可用于基于均方根偏差的軌跡聚類,參數(shù)設置為默認值。經(jīng)過計算,選擇聚類結果對話框頂部的包含結構數(shù)目最多的簇用于平均結構和殘基相互作用網(wǎng)絡(RIN,residue interaction network) 的生成。點擊Generate average structure for cluster 生成平均結構,保存以用于結合區(qū)分析。點擊Generate residue-interaction network for cluster 生成RIN,在Cytoscape 中顯示為2D 圖,應用Style 中的編輯工具即可調整網(wǎng)絡圖的格式。圖5 展示了殘基相互作用網(wǎng)絡圖。

圖5 殘基相互作用網(wǎng)絡

4 接觸體積和表面積計算

打開并聚焦平均結構,使用Surface/Binding Analysis...Intersurf 進行界面顯示和生成。通過Measure Volume and Area來測量界面的體積和面積。圖6 展示了受體和配體的結合區(qū)域。

5 結論

圖6 受體和配體的結合區(qū)域

按照上述方法進行分子動力學模擬和結果分析,可以方便快捷地對單體蛋白質、蛋白質復合物、蛋白質突變體、蛋白質截短體等進行動力學參數(shù)的測定,從而指導實驗設計,導出的圖片和動畫還可用于教學中的課件制作,因此應用Chimera 進行分子動力學模擬,可較少地依賴硬件條件,短時間提供許多有價值的信息,服務的人群也比較廣泛。現(xiàn)行的Chimera 版本在2018 年已經(jīng)停止了繼續(xù)開發(fā),它的開發(fā)團隊目前致力于ChimeraX 的研發(fā),該軟件不但具有Chimera 的所有優(yōu)勢,還更適用于較大的蛋白質的結構分析[5-6],將更有力地推動化學、化工、醫(yī)藥以及生物行業(yè)的發(fā)展。