化學(xué)生物學(xué)教學(xué)中引入PDBsum蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)的探索*

趙仲麟，劉小花，白海鑫，頓文濤，袁 超

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002)

化學(xué)生物學(xué)是化學(xué)與生物科學(xué)融合產(chǎn)生的新興學(xué)科，其發(fā)展可以更好地解決人類(lèi)疾病和健康等熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前，國(guó)家將生命科技的發(fā)展列為重點(diǎn)研究計(jì)劃，這不僅是基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的需要，也是我國(guó)占領(lǐng)世界科研陣地所必須加強(qiáng)的方向。面對(duì)科技飛速發(fā)展的今天，廣大高校教師在本科和研究生教學(xué)中面對(duì)著新的挑戰(zhàn)，需要使用新的技術(shù)方法，特別是利用信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)資源整合等方式將課堂內(nèi)容更好地展現(xiàn)給學(xué)生，而不是一味重復(fù)書(shū)本上老舊的知識(shí)內(nèi)容。

化學(xué)生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容中涉及大量的化合物及其對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響[1]，ChemBank[2]和DrugBank[3]等數(shù)據(jù)庫(kù)都是很好的小分子數(shù)據(jù)庫(kù)資源，但是對(duì)應(yīng)的，教師還要向?qū)W生介紹這些小分子對(duì)蛋白質(zhì)的作用，就需要對(duì)蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)探索在化學(xué)生物學(xué)課程中引入蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)PDBsum，對(duì)蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將這部分信息化數(shù)據(jù)資源在教學(xué)中展示給學(xué)生，增強(qiáng)其動(dòng)手能力。

1 PDBsum蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介

PDBsum（http://www.ebi.ac.uk/pdbsum）是一個(gè)提供蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括大量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[4]。該網(wǎng)站主要描繪的是蛋白質(zhì)、DNA和配體的結(jié)構(gòu)特征，以及它們之間的相互作用。在教學(xué)中向?qū)W生介紹該網(wǎng)站的最新功能，包括對(duì)人類(lèi)蛋白質(zhì)序列及其天然氨基酸變體的注釋、顯示相關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)圖、不同實(shí)驗(yàn)測(cè)定同一蛋白質(zhì)的配體結(jié)合分析、蛋白質(zhì)隧道分析和新的搜索選項(xiàng)等內(nèi)容。如新冠病毒的一些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)站中都可以查詢到（如圖1所示）。

2 PDBsum實(shí)施案例

2.1 數(shù)據(jù)檢索

首先，學(xué)生需要定義目標(biāo)蛋白質(zhì)，然后從PDBsum中輸入目標(biāo)蛋白質(zhì)的信息，這些信息可以是蛋白質(zhì)的PDB code，也可以是蛋白質(zhì)的名稱、功能、序列等相關(guān)信息，如圖1A所示。點(diǎn)擊search后出現(xiàn)蛋白質(zhì)信息列表，從中學(xué)生可以選擇自己所檢索的蛋白質(zhì)。選擇對(duì)應(yīng)的ID后，網(wǎng)頁(yè)會(huì)展現(xiàn)出目標(biāo)蛋白的具體信息，如圖1B所示，包括蛋白質(zhì)的ID、名稱、來(lái)源、發(fā)現(xiàn)者、日期、參考文獻(xiàn)以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)。其中，還包括蛋白結(jié)構(gòu)域的相關(guān)信息，如圖1C所示，同時(shí)PDBsum還提供其他蛋白分析網(wǎng)站的鏈接，如圖1D所示。

圖1 PDBsum檢索流程Fig.1 PDBsum retrieval process

網(wǎng)站還可以顯示目標(biāo)蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，觀察蛋白質(zhì)各個(gè)角度的結(jié)構(gòu)，如側(cè)面圖和俯視圖，如圖2 A、2 B所示，以及顯示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的立體化學(xué)性質(zhì)PROCHECK檢查結(jié)果，如圖2C所示。此外，PDBsum主頁(yè)還增加了三個(gè)新的搜索類(lèi)型，包括UniProt登錄號(hào)、Pfam域名和Ensembl基因或轉(zhuǎn)錄識(shí)別器的搜索。在每種情況下，結(jié)果提供了與搜索項(xiàng)相匹配的結(jié)構(gòu)列表，以及與UniProt序列相比每個(gè)結(jié)構(gòu)具有的結(jié)構(gòu)覆蓋率。

圖2 蛋白結(jié)構(gòu)相關(guān)信息Fig.2 Protein structure related information

2.2 蛋白域結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

蛋白質(zhì)可以用序列或結(jié)構(gòu)域來(lái)描述，相同的結(jié)構(gòu)域在不同的蛋白質(zhì)中以不同的組合出現(xiàn)。PDBsum使用Pfam的序列域定義和結(jié)構(gòu)CATH定義的域。每個(gè)PDBsum條目顯示了一個(gè)小示意圖，描述了每個(gè)蛋白質(zhì)的Pfam和CATH域，還顯示了PDB條目提供的“結(jié)構(gòu)覆蓋率”，即多少蛋白質(zhì)在三維結(jié)構(gòu)中存在。因此，一眼就能看出一個(gè)給定的條目是整個(gè)蛋白質(zhì)還僅僅是其中一個(gè)域。每個(gè)Pfam域都能超鏈接到包含該域的所有其他PDB條目的列表。

2.3 蛋白隧道功能

PDBsum中另一項(xiàng)新的分析功能是，可以顯示給定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中所有的“隧道”，它們是穿透蛋白質(zhì)內(nèi)部的開(kāi)口。可以分析整個(gè)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)每個(gè)PDBsum條目頂部的Tunnels選項(xiàng)卡進(jìn)行訪問(wèn)。以病毒蛋白6vyo為例，如圖2D所示，首先計(jì)算蛋白質(zhì)原子中心的Voronoi圖，然后識(shí)別所有空腔，并將其起點(diǎn)和終點(diǎn)鏈接起來(lái)。動(dòng)畫(huà)GIF可以旋轉(zhuǎn)表示隧道位置，并提供了MOLEonline 2.0網(wǎng)站的鏈接，以獲得用戶給定隧道更詳細(xì)的搜索內(nèi)容。

2.4 Drugprot分析

PDB包含許多對(duì)基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)，這些結(jié)構(gòu)是可能作為藥物靶點(diǎn)的蛋白質(zhì)，它們中可能含有與蛋白質(zhì)結(jié)合的已知藥物分子DNA。在最好的情況下，它們顯示出一種藥物與目標(biāo)相聯(lián)系。PDBsum中的一個(gè)分支被稱為drugport，主要用于分析蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB中的藥物分子和靶點(diǎn)(http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/drugport/）。有關(guān)藥物和藥物靶點(diǎn)的信息來(lái)自DrugBank數(shù)據(jù)庫(kù)。PDB中的藥物分子是通過(guò)將DrugBank中的SMILES字符串與wwPDB的化學(xué)成分詞典綜合中來(lái)識(shí)別，藥物靶點(diǎn)通過(guò)其UniProt識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別。

3 結(jié)語(yǔ)

PDBsum是一個(gè)提供蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)條目結(jié)構(gòu)信息的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。提供的分析主要基于圖像，包括蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)配體以及蛋白質(zhì)DNA相互作用和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的PROCHECK分析等。三維結(jié)構(gòu)可以在RasMol、PyMOL和一個(gè)名為3dmol.js的JavaScript查看器中進(jìn)行交互查看。教師在化學(xué)生物學(xué)課程中引入PDBsum操作實(shí)例，學(xué)生可以上傳自己的PDB文件，并為每個(gè)文件獲得一組密碼保護(hù)的PDBsum分析。通過(guò)引入PDBsum數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容到化學(xué)生物學(xué)教學(xué)中，通過(guò)實(shí)例讓學(xué)生直觀地進(jìn)行了蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)的檢索和分析過(guò)程，親自動(dòng)手對(duì)感興趣的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，這對(duì)開(kāi)拓學(xué)生眼界、擴(kuò)展知識(shí)面非常有益，取得了良好的教學(xué)效果。