Discovery Studio 2.0的模塊擴(kuò)展及應(yīng)用：殘基水平非鍵相互作用能量的自動(dòng)批量計(jì)算

高躍東, 黃京飛

(1. 中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所 遺傳資源與進(jìn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650223 2. 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100049;3. 中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所－香港中文大學(xué)生物資源與疾病分子機(jī)理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650223)

Discovery Studio 2.0的模塊擴(kuò)展及應(yīng)用：殘基水平非鍵相互作用能量的自動(dòng)批量計(jì)算

高躍東1,2, 黃京飛1,3,*

(1. 中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所 遺傳資源與進(jìn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650223 2. 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100049;3. 中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所－香港中文大學(xué)生物資源與疾病分子機(jī)理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650223)

非鍵相互作用對(duì)于生物體系中的分子識(shí)別和結(jié)合過程起著關(guān)鍵作用。然而, 傳統(tǒng)的方法并不能在殘基水平自動(dòng)批量計(jì)算非鍵相互作用。近年來, 已經(jīng)發(fā)展了一些方法和工具進(jìn)行非鍵相互作用的計(jì)算分析。該文研究發(fā)展了一種可以自動(dòng)計(jì)算殘基間非鍵相互作用的方法, 即用Perl腳本調(diào)用Discovery Studio 2.0 (DS2.0, Accelrys Inc.) 底層模塊中的非鍵相互作用協(xié)議, 實(shí)現(xiàn)了直接利用命令行批量計(jì)算非鍵相互作用能量, 而無需通過DS2.0的圖形界面。該方法擴(kuò)展了DS2.0的計(jì)算模塊, 并于近期運(yùn)用到了復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究分析中。

非鍵相互作用；模塊擴(kuò)展; Discovery Studio 2.0

在生物分子體系中, 除了共價(jià)鍵外還存在許多非鍵相互作用，涉及生命活動(dòng)的許多方面。非鍵相互作用在生物分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面起著重要作用, 例如在蛋白與DNA、蛋白與RNA分子復(fù)合物體系中, 非鍵相互作用是維持復(fù)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素。另外, 它們?cè)谏锓肿幼R(shí)別、離子載體的選擇性、分子組裝、分子簇形成等方面也都起著關(guān)鍵作用(McCullagh et al, 2008)。在生物過程中, 信息的傳遞不僅需要分子間能夠識(shí)別并形成復(fù)合物體系, 有時(shí)也要求復(fù)合物能容易解離。非鍵相互作用不形成共價(jià)化學(xué)鍵的特性, 使得其能夠在生命過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。深入的研究和理解非鍵相互作用機(jī)制是了解復(fù)合物分子功能的重要方面(Waters,2002)。

非鍵相互作用可以分為分子內(nèi)相互作用和分子間相互作用。分子內(nèi)相互作用決定了分子結(jié)構(gòu)的形成及其構(gòu)象(conformations)變化; 而分子間相互作用則在許多方面起著重要作用, 如藥物小分子與靶蛋白的識(shí)別和結(jié)合(Pyrkov et al, 2010)、結(jié)構(gòu)化學(xué)(Ashenhurst, 2010)和材料分子研究(Nakashima et al,2008), 以及RNA分子體系研究(Spriggs et al, 2008)等。因此, 分子間相互作用更為人們所廣泛關(guān)注。

對(duì)于生物分子復(fù)合物體系, 其結(jié)構(gòu)和功能方面的研究不可避免地需要進(jìn)行非鍵相互作用的計(jì)算和評(píng)估。一般來說, 在經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)中, 對(duì)非鍵相互作用描述的重要性等同于對(duì)共價(jià)鍵性質(zhì)的描述(Brooks et al, 1983; Weiner & Kollman, 1981), 前者包含靜電力(coulombic)和范德華相互作用(Sagui &Darden, 1999); 后者包含鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角。在分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中, 非鍵相互作用的計(jì)算和評(píng)估非常耗費(fèi)計(jì)算機(jī)時(shí)。盡管已有大量的研究涉及對(duì)非鍵相互作用的計(jì)算和分析(Sundaram & Prasad,1982; Van Der Spoel et al, 2005), 但傳統(tǒng)的計(jì)算分析工具無法在殘基水平上成對(duì)批量自動(dòng)計(jì)算非鍵相互作用能量。

Discovery Studio 2.0(DS2.0, Accelrys Inc.)計(jì)算分析引擎提供了相對(duì)完善的分子建模和模擬環(huán)境, 目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物技術(shù)、化學(xué)和化工等領(lǐng)域的科學(xué)研究中(Hirashima & Huang, 2008;Spassov & Yan, 2008)。在該軟件包中, 計(jì)算非鍵相互作用需在圖形界面下完成, 無法實(shí)現(xiàn)殘基對(duì)之間非鍵相互作用的批量自動(dòng)計(jì)算。本文對(duì)DS2.0的非鍵相互作用的計(jì)算模塊和協(xié)議(protocol)進(jìn)行了擴(kuò)展。

1 方 法

1.1 程序概述

程序設(shè)計(jì)的目的是通過擴(kuò)展開發(fā), 使程序模塊能在殘基水平自動(dòng)計(jì)算非鍵相互作用?？傮w策略是通過編輯 DS2.0原有的底層組件(components), 使其具有接收外部程序傳遞參數(shù)信息的接口, 同時(shí)接合Perl (Stajich et al, 2002)語言腳本進(jìn)行相應(yīng)的流程控制, 以達(dá)到批量計(jì)算的功能。輸入文件為PDB格式文件以及包括具體參數(shù)信息的 ASCII文本文件,通過命令行調(diào)用改進(jìn)后的非鍵相互作用計(jì)算模塊,程序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算指定殘基間的非鍵相互作用。以上操作過程不需要用戶打開DS2.0程序客戶端窗口而實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)計(jì)算。

1.2 程序結(jié)構(gòu)

程序分兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元, 即能夠接受輸入?yún)?shù)的非鍵相互作用計(jì)算模塊和Perl腳本控制程序。兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元在程序底層通過管道控制模塊服務(wù)(pipeline pilot server, Accelrys Inc.)進(jìn)行通訊, 以達(dá)到協(xié)同計(jì)算的目的。

在這里, 能夠接受輸入?yún)?shù)的非鍵計(jì)算模塊是在DS2.0模塊“Calculate Interaction Energy protocol”的基礎(chǔ)上擴(kuò)展開發(fā)而來的, 并被命名為“AutoNBEC”(auto non-bonded energy calculator protocol)。參數(shù)傳遞由管道控制模塊Pipeline Pilot v.7.5 (Accelrys Inc)完成。通過重新編輯相關(guān)組件(components), 將修改過的計(jì)算模塊“AutoNBEC”導(dǎo)入到DS2.0環(huán)境中。AutoNBEC 主要根據(jù)用戶指定的殘基, 通過讀取PDB文件中殘基的結(jié)構(gòu)信息, 利用相關(guān)力場(chǎng)所定義的能量函數(shù)進(jìn)行非鍵相互作用(靜電作用和范德華作用)能量計(jì)算。DS2.0計(jì)算引擎可調(diào)用多種力場(chǎng)計(jì)算, 在此，我們調(diào)用了經(jīng)典的CHARMm力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。在DS2.0的計(jì)算模塊中, 對(duì)非鍵相互作用的計(jì)算截?cái)?cut off)值采用默認(rèn)值14 ?。

Perl腳本利用 DS2.0的應(yīng)用程序編程接口(application programming interface, API)調(diào)用DS2.0的相應(yīng)計(jì)算模塊。API基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(object-oriented programming, OPP)策略, 封裝了相應(yīng)的計(jì)算及操作模塊。Perl腳本的優(yōu)勢(shì)在于它能夠直接調(diào)用 DS2.0的底層模塊。因此, 可避免打開DS2.0的圖形窗口, 達(dá)到了通過命令行運(yùn)行批量計(jì)算任務(wù)的目的。

1.3 程序流程

程序的工作流程包括主要的六個(gè)階段：(1)對(duì)用戶輸入文件內(nèi)容進(jìn)行解析；(2)對(duì)計(jì)算環(huán)境進(jìn)行初始化并對(duì)計(jì)算分子分配CHARMm力場(chǎng)參數(shù)；(3)產(chǎn)生所有原子的索引； (4)利用哈希(Hash)模型構(gòu)建需要計(jì)算的殘基對(duì)的數(shù)組列表；(5)把需要計(jì)算的相關(guān)參數(shù)傳遞給AutoNBEC模塊；(6)解析計(jì)算結(jié)果并輸出結(jié)果文件。圖1顯示了AutoNBEC protocol的計(jì)算流程細(xì)節(jié)。

2 結(jié) 果

2.1 輸入文件

用戶以ASCII文本文件形式指定PDB文件中

需要計(jì)算的鏈編號(hào)信息。文件包括三列內(nèi)容, 以tab

圖1 AutoNBEC非鍵相互作用計(jì)算模塊流程Fig. 1 Schematic workflow of the AutoNBEC module

鍵分隔, 第一列是需要計(jì)算的 PDB 代碼(PDB code), 其余兩列是該 PDB文件中需要計(jì)算鏈的順序索引。第一條鏈索引號(hào)為 0, 第二條鏈索引號(hào)為1, 并以此類推。同時(shí), 用戶還需要提供計(jì)算所需的PDB格式文件。圖2(A)顯示了輸入文件的格式。

2.2 程序的執(zhí)行

AutoNBEC 是對(duì) DS2.0非鍵相互作用計(jì)算模塊的擴(kuò)展。因此, 必須在DS2.0計(jì)算引擎環(huán)境下運(yùn)行。首次運(yùn)行時(shí)需要把AutoNBEC導(dǎo)入DS2.0的計(jì)算引擎環(huán)境中。剩余步驟為：在Windows環(huán)境下打開CMD窗口(linux環(huán)境下則打開terminal終端), 隨后以命令行方式運(yùn)行程序的Perl腳本。

另外, 讀者可向本文通訊作者(Email: huangjf@mail.kiz.ac.cn, Tel: 86-871-5195183)提出計(jì)算要求,并通過Email形式獲取計(jì)算結(jié)果。

2.3 程序輸出及應(yīng)用實(shí)例

計(jì)算結(jié)果以文本文件形式輸出, 數(shù)據(jù)之間以tab鍵分隔。每一行包括進(jìn)行計(jì)算的殘基名稱、編號(hào)、所屬鏈、計(jì)算時(shí)間、非鍵能量總值、靜電作用能量、范德華作用能量等結(jié)果信息(圖2, C)。結(jié)果文件可通過文本編輯軟件或圖形顯示軟件進(jìn)行深入后續(xù)分析。

圖2 AutoNBEC非鍵相互作用計(jì)算模塊輸入輸出文件格式及運(yùn)行狀態(tài)截圖Fig. 2 Input file, output file and running state of the AutoNBEC module

AutoNBEC可應(yīng)用于生物大分子復(fù)合物的分析中, 如蛋白質(zhì)-DNA、蛋白質(zhì)-RNA、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)等復(fù)合體系中生物分子間的相互作用分析。我們利用該工具對(duì)依賴NAD+的DNA連接酶與底物DNA的復(fù)合體進(jìn)行殘基水平上的非鍵相互作用分析(Gao & Huang, 未發(fā)表資料)。結(jié)果顯示, 連接酶與DNA的非鍵相互作用在幾個(gè)區(qū)域有明顯的強(qiáng)相互作用(圖3), 其中I、V、VI 三個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于該類酶先前研究報(bào)道過的序列高度保守的功能區(qū)(Shuman & Lima, 2004)。進(jìn)一步地結(jié)合序列保守性分析及結(jié)構(gòu)比對(duì)信息, 我們發(fā)現(xiàn)其他三個(gè)強(qiáng)作用區(qū)域(A、B、C)也高度保守, 提示可能也具有功能作用。最近研究發(fā)現(xiàn)的一些功能殘基位于我們預(yù)測(cè)的這三個(gè)強(qiáng)作用區(qū)域(Wang et al, 2008, 2009)。

圖3 依賴NAD+ 的DNA 連接酶(ligase)與DNA復(fù)合物(PDB code:2owo)殘基水平的非鍵相互作用Heatmap圖(adenylation和OB結(jié)構(gòu)域)Fig. 3 Heatmap representation of pair-wise nonbonded energy values in NAD+ dependent DNA ligase complex (adenylation domain and OB domain, PDB code: 2owo)

3 討 論

傳統(tǒng)的非鍵相互作用的計(jì)算工具無法在殘基水平上批量自動(dòng)計(jì)算, 而批量自動(dòng)計(jì)算非鍵相互作用能量則大大方便了對(duì)生物分子復(fù)合體系進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)與功能分析。本研究基于DS2.0的計(jì)算引擎, 結(jié)合Perl腳本的編程, 擴(kuò)展了DS2.0原有的計(jì)算模塊功能, 實(shí)現(xiàn)了殘基水平上的非鍵相互作用能量的批量計(jì)算。

在 PDB結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中, 分子復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于單晶體的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù), 但是, 生物分子間的識(shí)別、結(jié)合和相互作用構(gòu)成了一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。因此, 深入了解分子識(shí)別與接合機(jī)制對(duì)于了解生命過程具有重要意義。本文發(fā)展的新方法有助于對(duì)現(xiàn)有復(fù)合物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的非鍵相互作用能量進(jìn)行自動(dòng)批量計(jì)算, 便于研究者全面、準(zhǔn)確掌握分子復(fù)合體中殘基水平上的非鍵相互作用特征, 對(duì)深入研究生物分子的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系以及藥物設(shè)計(jì)和篩選均有幫助意義。

由于AutoNBEC是在DS2.0非鍵相互作用模塊的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。因此, 必須在DS2.0計(jì)算引擎環(huán)境下才能運(yùn)行。DS2.0為需要購買授權(quán)許可(license)的商業(yè)軟件包, 這一特點(diǎn)限制了AutoNBEC模塊的發(fā)布和應(yīng)用。

致謝：感謝 Nico Chen (Neotrident Inc.)在protocol編寫中的建議與幫助。

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An extension strategy of Discovery Studio 2.0 for non-bonded interaction energy automatic calculation at the residue level

GAO Yue-Dong1,2, HUANG Jing-Fei1,3,*

(1. State Key Laboratory of Genetic Resources and Evolution,Kunming Institute of Zoology, the Chinese Academy of Sciences,Kunming650223,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China; 3.Laboratory of Bioresources and Molecular Research in Common
Diseases,Kunming Institute of Zoology,the Chinese Academy of Sciences,Chinese University of Hong Kong,Kunming650223,China)

Non-bonded interaction forces play crucial roles in molecular recognition and binding in biological systems. However, it is difficult for traditional methods to automatically calculate and batch the non-bonded energy at the residue level. In recent years, many studies have focused on non-bonded interactions and developed tools to calculate and analyze such interactions. In this study, we present a highly automated approach for the calculation of non-bonded energy.Our strategy invoked protocols relevant to non-bonded interactions within Discovery Studio 2.0 (DS2.0, Accelrys Inc.)bottom module using Perl script, and determined the direct command line operation of calculating non-bonded interaction energy batches without accessing the graphical interface of DS. This approach extended the DS2.0 module and was applied to a recent study of complex structure analysis.

Non-bonded energy; Protocol extension; Discovery Studio 2.0

Q5-3; Q811.4; TP399

A

0254-5853-(2011)03-0262-05

10.3724/SP.J.1141.2011.03262

2010-08-05；接受日期：2011-01-18

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“973”(2009CB941302)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30470939、30623007)；中國科學(xué)院基金項(xiàng)目(2007211311091)

?通訊作者(Corresponding author)，Tel: +86 871 5195183, E-mail: huangjf@mail.kiz.ac.cn