基于蛋白质相互作用界面的比对算法研究

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摘要：蛋白质相互作用界面是蛋白质相互作用产生的物理载体。考虑蛋白质相互作用界面间的结构相似性对于研究蛋白质功能，信号传导网络和药物设计具有非常重要的意义，而现有的蛋白质结构比对算法仅适用于蛋白质单体的全局空间结构。我们给出了基于整数二次规划模型的方法来考虑蛋白质相互作用界面的比对问题，该方法整合了蛋白质序列的进化信息、结构信息，并用进化谱的相似性来对比对上的残基打分以衡量其进化保守性。通过计算实验，发现进化上和结构上保守的残基有可能就是对于蛋白质结合起重要作用的残基，即热点。

关键词：蛋白质；相互作用界面比对；热点；整数二次规划

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）14-3410-03

蛋白质经常通过与其它蛋白质相互作用来行使其功能，例如信号传导网络和代谢网络中的蛋白质复合物，而蛋白质相互作用界面是蛋白质相互作用发生的物理载体。蛋白质相互作用界面（～1500-3000 ?2）要比蛋白质-配体相互作用界面（～300-1000 ?2）大很多，而且一般不像配体结合位点那样蛋白质表面呈凹槽状，而是平坦的。实验证明界面上残基的结合能量并不是均匀分布的，而是一些残基的结合能量较大而且仅占界面残基的一小部分，这些对于蛋白质结合起关键作用的残基叫做热点（hot spots）。丙氨酸扫描变异（Alanine scanning mutagenesis）是目前主要的识别热点的实验方法，其基本原理是把界面上的单个残基替换成丙氨酸，并测得替换以后残基结合能量的变化值。选择丙氨酸作为替换残基是因为丙氨酸的侧链仅有一个碳原子，并且替换后不改变主链构象，也不会产生很大的静电或者位阻效应。由于其实验过程较为复杂，目前获得的丙氨酸扫描变异数据很少，主要存放在丙氨酸扫描变异数据库ASEdb中。分析发现热点要比蛋白质相互作用界面上的其它残基进化上和结构上保守，并且其在空间结构上聚在一起，周围被一些能量较小的残基包围着。基于这些特征，我们这里用整数二次规划方法，结合蛋白质的进化和结构信息来对蛋白质相互作用界面进行比对，进而可以用来预测热点。

1 数据获取

首先从丙氨酸扫描变异数据库（ASEdb）中获取含有丙氨酸扫描变异残基的蛋白质链及相关复合物。对于一个复合物中不同蛋白质链的两个残基，如果这两个残基的任意两个原子其距离小于两个原子的范德瓦尔半径之和再加上0.5 ?，则这两个残基叫做接触式残基（contact residues），这些接触式残基构成的蛋白质表面被定义为蛋白质相互作用界面。我们从每组复合物中提取出包含丙氨酸扫描变异残基的蛋白质相互作用界面。

2 蛋白质相互作用界面比对方法

2.2 基于整数二次规划方法的残基网络比对模型

3 蛋白质相互作用界面热点预测方法

4 计算结果

4.1 免疫球蛋白和溶菌酶的相互作用热点预测

4.2 对ASEdb数据库中蛋白质复合物的热点预测

5 讨论

蛋白质相互作用界面比对对于研究蛋白质相互作用、蛋白质功能非常重要。现有的蛋白质结构比对算法只适用于研究蛋白质单体的全局空间结构，并不适用于蛋白质相互作用界面。这里我们将界面比对问题转化为网络比对问题，并结合蛋白质的进化信息和结构信息，用基于整数二次规划模型的方法来有效地找出界面上的进化和结构上都保守的残基，并验证这些残基有可能是热点。

丙氨酸扫描变异数据库ASEdb 是基于对单个残基替换成丙氨酸后能量变化的测定，这种实验方法对于组合残基的能量变化并不能有效地确定。最近丙氨酸切削技术（Alanineshaving technologies）可以同时使多个氨基酸变异为丙氨酸，这样对一些单个残基变异能量变化不大但多个残基一块变异则对蛋白质相互作用能量影响较大的残基组可以有效地识别出来。这些残基组在进化上和空间结构上可能是保守的，因此我们的预测结果可以进一步作为丙氨酸切削技术的候选残基。

参考文献：

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