一種基于Chimera 軟件的分子動力學(xué)模擬方法

馬學(xué)婧* 李俊甫 宋立立 張兆英 王 悅 孫琳琳

(滄州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,河北 滄州061001)

Chimera 由美國加州大學(xué)舊金山分校的生物計算可視化和信息學(xué)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(yīng)用于密度圖、超分子組裝、序列比對、對接結(jié)果、軌跡和構(gòu)象集合,也可以生成高質(zhì)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(xué)術(shù)、政府和非營利機(jī)構(gòu)和個人使用者免費(fèi)下載使用。Chimera 功能強(qiáng)大,界面友好,可幫助沒有編程基礎(chǔ)的教師和科研人員利用其提供的多種模塊化工具進(jìn)行簡單的分子動力學(xué)模擬,并且可用于多種操作系統(tǒng),無需購買昂貴的服務(wù)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(xué)模擬方法進(jìn)行闡述。

1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備

1.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化

首先打開一個已經(jīng)下載的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件(后綴為.PDB)或選擇Fetch by ID,輸入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的ID 調(diào)入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)復(fù)合物不同的鏈；Chemistry 選項可以根據(jù)化學(xué)性質(zhì),如元素、功能基團(tuán)和原子軌道對蛋白質(zhì)進(jìn)行選擇；Residue 選項可以對20 種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸進(jìn)行選擇,也可以按照性質(zhì)對某一類氨基酸進(jìn)行選擇；Structure 選項可以對蛋白質(zhì)的骨架、離子、配體、核酸和特定的二級結(jié)構(gòu)等進(jìn)行選擇。選擇完畢后,可應(yīng)用Actions 中的工具對選定的對象進(jìn)行編輯,如：Atoms/Bonds 選項可以隱藏或顯示原子或鍵,設(shè)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(zhì)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(zhì)的表面,并設(shè)置顯示模式和透明度；Color 選項可以對選中的對象進(jìn)行上色；Label 選項可以對原子、氨基酸殘基進(jìn)行標(biāo)注,且可自主選擇標(biāo)注的格式。按住鼠標(biāo)左鍵可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),按住滾輪可拖動結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化。

圖1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化

1.2 突變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測

對于突變蛋白的分子動力學(xué)模擬,首先需要人工對蛋白質(zhì)的特定位點(diǎn)進(jìn)行氨基酸的置換,并預(yù)測突變后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。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(jìn)行突變。選定要置換的氨基酸種類,點(diǎn)擊Apply 之后出現(xiàn)多個具有實(shí)驗統(tǒng)計可能性的結(jié)構(gòu),選擇不會與其他氨基酸碰撞的最可能的結(jié)構(gòu),通常是第一個。最后通過File... Save PDB 對點(diǎn)突變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保存。圖2 展示了突變位點(diǎn)的多個可能性結(jié)構(gòu)。

圖2 突變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測

1.3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)精煉

無論野生型蛋白質(zhì)還是突變蛋白質(zhì),在進(jìn)行分子動力學(xué)模擬之前需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精煉。Chimera 使用Tools... MD/Ensemble Analysis 中的Prep Structure ... Dock Prep 工具精煉蛋白質(zhì)。參數(shù)設(shè)置包括刪除溶劑,替換不完整的側(cè)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(zhuǎn)化為UMP、甲基硒代-dUMP 轉(zhuǎn)化為UMP、甲基硒代-dCMP 轉(zhuǎn)化為CMP。當(dāng)添加氫時,每個模型都被認(rèn)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(zhì)子化狀態(tài)是基于殘基名稱的。添加電荷時,標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)精煉

2 分子動力學(xué)模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

將所有的復(fù)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(jìn)行修改。添加適當(dāng)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(shè)置為默認(rèn)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(fù)合物最小化。平衡步驟的默認(rèn)設(shè)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(jìn)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(rèn)設(shè)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(jìn)行修改,通過耦合到Nose thermostat 保持溫度,松弛時間設(shè)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(shè)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(diǎn)擊Run,軟件即按照設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。

2.2 結(jié)果導(dǎo)出

模擬結(jié)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(zhì)結(jié)構(gòu)。通過File... Record movie,可以導(dǎo)出模擬動畫視頻。均方根偏差和勢能通過Analysis... Plot... RMSD 和Potential Energy 進(jìn)行分析。圖4 展示了分子動力學(xué)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(yīng)用程序進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)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(shè)置為默認(rèn)值。經(jīng)過計算,選擇聚類結(jié)果對話框頂部的包含結(jié)構(gòu)數(shù)目最多的簇用于平均結(jié)構(gòu)和殘基相互作用網(wǎng)絡(luò)(RIN,residue interaction network) 的生成。點(diǎn)擊Generate average structure for cluster 生成平均結(jié)構(gòu),保存以用于結(jié)合區(qū)分析。點(diǎn)擊Generate residue-interaction network for cluster 生成RIN,在Cytoscape 中顯示為2D 圖,應(yīng)用Style 中的編輯工具即可調(diào)整網(wǎng)絡(luò)圖的格式。圖5 展示了殘基相互作用網(wǎng)絡(luò)圖。

圖5 殘基相互作用網(wǎng)絡(luò)

4 接觸體積和表面積計算

打開并聚焦平均結(jié)構(gòu),使用Surface/Binding Analysis...Intersurf 進(jìn)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(jié)合區(qū)域。

5 結(jié)論

圖6 受體和配體的結(jié)合區(qū)域

按照上述方法進(jìn)行分子動力學(xué)模擬和結(jié)果分析,可以方便快捷地對單體蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)復(fù)合物、蛋白質(zhì)突變體、蛋白質(zhì)截短體等進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)的測定,從而指導(dǎo)實(shí)驗設(shè)計,導(dǎo)出的圖片和動畫還可用于教學(xué)中的課件制作,因此應(yīng)用Chimera 進(jìn)行分子動力學(xué)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(wù)的人群也比較廣泛?，F(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(tuán)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(zhì)的結(jié)構(gòu)分析[5-6],將更有力地推動化學(xué)、化工、醫(yī)藥以及生物行業(yè)的發(fā)展。