蛋白质973

项目名称：基于蛋白质结构与相互作用的计算生物学研究首席科学家：蒋华良中国科学院上海药物研究所起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国科学院一、研究内容拟解决的关键科学问题本项目围绕基于蛋白质结构及其相互作用开展计算生物学研究这一目标, 拟解决如下关键科学问题：1、分子动力学模拟的空间和时间尺度：分子动力学等计算生物学方法是在原子水平上模拟蛋白质及其复合体动力学行为的有效途径。

然而，现有的全原子水平MD方法在模拟的空间和时间尺度上均存在缺陷：(1)不能用于模拟蛋白质复合体等复杂体系的模拟。

虽然目前MD方法能模拟含有上百万个原子组成的体系，但要模拟神经突出囊泡这样更复杂的系统还十分困难。

为此人们发展了粗略化MD模拟方法，这又带来另外一个问题，即丢失了许多详细的原子信息；(2)不能进行长时间(> s)模拟(图1)。

许多重要的生物和生理现象产生的时间尺度是毫秒(ms)甚至几十秒(如一些离子通道门控)，理论上讲只有进行生理时间尺度的MD模拟，才能获得有生物学意义的信息。

一方面目前的计算机硬件还不能进行如此长时的MD模拟，另一方面，目前描述生物体系的势能函数(Harmitonian)和算法因辛(Symplectic)不守恒，长时间模拟会造成轨迹发散。

虽然发展了SMD 和TMD等方法，在MD模拟时人为地加速蛋白质的构象变化，但因这些方法是在非平衡状态下模拟蛋白质等生物大分子的动力学行为，有可能得不到真实的运动轨迹。

这些缺陷严重限制了蛋白质动力学行为以及下面要讨论的生物网络形成的结构基础等研究。

因此，如何提高MD模拟的空间和时间尺度，是本项目拟解决的一个关键科学问题。

我们拟发展粗略化和常规动力学相结合(CGC-MD)等多尺度计算方法，解决MD模拟的空间尺度问题，既能模拟复杂体系，又能获得蛋白质复合体重要部位原子水平的动力学性质；运用我国著名数学家冯康院士独创的辛几何算法和著名力学家钟万勰院士(本项目的研究骨干之一)发展的精细积分方法，解决MD模拟的时间尺度问题。

2、蛋白质相互作用网络形成的结构基础与动力学机制：蛋白质－蛋白质相互作用在生物网络中起重要作用，蛋白质复合体是生物网络的重要功能模块。

因此，在蛋白质及其复合体三维结构的基础上研究生物网络的功能，探索蛋白质相互作用网络形成的结构基础和动力学机制是本项目拟解决的另一个关键科学问题。

解决这一问题的切入点是研究蛋白质的动力学行为、蛋白质－配体结合的动力学行为与网络动力学之间的关系，即将分子动力学和网络动力学行为关联起来。

因此，蛋白质复合体(物)三维结构预测、蛋白质－蛋白质、蛋白质－配体(代谢产物、核酸等)相互作用热力学和动力学参数精确计算在研究中起重要作用。

然而，目前还没有成熟的方法可以预测蛋白质复合体(物)的三维结构，精确计算蛋白质－蛋白质(配体)相互作用动力学参数(如k on和k off)的方法还未见报道。

我们拟在上述新的分子动力学方法发展的基础上，发展构建蛋白质复合物和复合体新方法；在我们小分子－蛋白质结合和解离优化途径方法的基础上，发展蛋白质－蛋白质(配体)作用动力学参数计算方法；选择适当的生物网络(通路)进行具体的分子动力学和网络动力学关联模拟研究和实验验证。

3、功能蛋白质设计的效率：蛋白质设计主要包括全新蛋白质设计、酶设计和蛋白质结合对象(partner)设计。

蛋白质全新设计是蛋白质折叠问题的反问题，最具挑战性。

由于蛋白质折叠问题还没有完全解决(Science杂志选出的125个最难解决科学问题之一)，因此目前还没有一套成熟的全新蛋白质设计方法，除设计出简单折叠方式的蛋白质(如螺旋束蛋白质)外，真正全新设计出的蛋白质还很少报道。

目前所存在的主要问题有：(1)缺乏用于发现蛋白质新的折叠模式的理论和方法；(2)在侧链安装计算中无法很好地考虑蛋白质主链的柔性问题；(3)基于现有力场的打分函数不足以对好坏序列进行区分。

由于全新蛋白质设计的缺陷，目前酶设计基本上采用对现有蛋白质突变或结构改造的方法，不能设计出具有特定催化功能、结构全新的酶；现有蛋白质新结合蛋白的设计也是根据已知蛋白质－蛋白质复合物的三维结构，突变某些蛋白质的氨基酸，以提高蛋白质相互作用的亲和性。

由于全新蛋白质设计和精确计算蛋白质－蛋白质相互作用热力学和动力学参数困难，基于蛋白质相互作用的蛋白质设计也没有一个普遍的方法。

这些缺陷使得目前蛋白质设计的效率不高，因此，提高蛋白质设计的效率是本项目拟解决的又一关键问题。

我们拟在自己发展的蛋白质嫁接、反向分子对接和蛋白质－蛋白质动力学模拟模拟等方法的基础上，发展高效蛋白质设计方法，并与实验研究结合，获得具有特定功能的蛋白质。

主要研究内容针对上述计算生物学研究中当前面临的重要科学问题和我国蛋白质科学研究的需求和机遇，确定本项目研究内容：1、蛋白质动态行为和相互作用模拟新方法研究发展新的分子动力学模拟、蛋白质复合体三维结构模建和蛋白质－蛋白质(配体)相互作用热力学(Thermodynamic)和动力学(Kinetic)参数计算方法，提高分子模拟的空间和时间尺度，为其他课题(研究内容2－4)研究提供新的计算生物学方法学。

2、蛋白质及其复合体动态行为的分子动力学模拟选择重要蛋白质和复合体，特别是与内容3和4研究相关的体系，进行大规模、长时间分子动力学研究，结合分子和细胞生物学实验，获得这些蛋白质和复合体的动力学行为(Dynamic Trajectory)、精确的热力学和动力学参数。

这部分研究一方面可以验证研究内容1发展方法的可靠性，也为下面的内容3和4研究提供必要的理论数据。

3、蛋白质相互作用网络形成的结构基础与动力学分析选择重要的生物网络，进行分子动力学和网络动力学关联研究，并用适当的分子生物学、细胞生物学和生物物理等实验方法验证理论预测结果。

具体研究内容是：用上述发展的方法构建网络上关键模块蛋白质复合体(物)的三维结构，并进行分子动力学模拟和相互作用计算(研究内容2可以提供部分数据)，计算网络中其他分子与蛋白质或复合体的相互作用(包括结合构象、热力学和动力学参数)；在获得这些参数的基础上，运用一定的数学方法构建生物网络的动力学模型，并分析其动力学行为，以此获得分子动力学和网络动力学的相关性；设计合适的实验，验证理论计算结果。

这部分研究内容一方面可以继续验证内容1发展方法的可靠性，也可以在网络水平验证内容2计算结果的可靠性，同时也为下面的功能蛋白质设计提供重要的线索。

4、功能蛋白质分子设计这部分研究内容如下：(1) 在内容1发展的方法基础上，发展新的功能蛋白质设计方法，提高蛋白质设计效率；(2) 设计有医药和工业应用前景的功能蛋白质，并进行实验研究，验证新的蛋白质设计方法的可靠性和效率；(3) 与研究内容2衔接，根据蛋白质复合体MD模拟结果，设计新的蛋白质，并进行功能研究，进一步验证我们发展的方法以及理论预测的结果；与研究内容4衔接，根据网络动力学分析结果设计特定的蛋白质，作为探针分子研究生物网络的生物功能。

这部分研究，一方面可以获得具有重要医药和工业用途的新蛋白质，也继续验证了我们发展方法的可靠性，同时也为生物网络功能的实验研究提供特异性的探针分子。

二、预期目标总体目标从我国蛋白质科学研究的重大需求以及发现重要生命现象和规律相关计算生物学关键科学问题出发，建立计算和实验相结合生物学研究新模式；发展蛋白质及其复合体动力学行为模拟、网络动力学分析和蛋白质设计等计算生物学新方法；在此基础上，针对炎症、肿瘤和糖尿病相关重要生物网络，开展分子动力学和网络动力学关联性研究，与实验研究相结合，发现新的信号转导调控机制和生物学新现象；根据蛋白质相互作用和网络动力学分析结果，设计具有生物医药价值和工业用途的新蛋白质。

取得一批重要的创新成果，为提升我国蛋白质科学研究的水平奠定坚实的基础。

同时，以本项目的实施为契机，促进计算科学、数学、物理和化学与生命科学研究的衔接和交叉集成，培养一批高水平的研究人才。

五年预期目标1、发展先进的、能用于蛋白质复合体和生物网络等复杂生物系统模拟的计算生物学方法，包括蛋白质复合体结构模建和动力学模拟方法、蛋白质相互作用热力学和热力学参数计算方法、基于蛋白质结构的网络动力学模拟方法和高效蛋白质设计方法，以及与此相应的、具有自主知识产权的新算法、软件和数据库。

争取在提高分子模拟的时空尺度和蛋白质设计的效率方面取得突破。

2、针对炎症、肿瘤和糖尿病相关网络和通路，发现2个以上重要信号转导通路形成的分子机制，争取在分子动力学和网络动力学关联性研究方面取得具有国际影响的重大成果和突破。

3、获得2个以上具有特定生物功能的新蛋白质，为发现具有生物医药和工业应用价值的新型蛋白质奠定基础。

4、在国际重要学术刊物上发表高水平论文50篇以上。

取得一批具有国际影响的原创性成果，申请专利和软件版权10项以上。

5、培养一支高水平、能承担计算生物学前沿研究任务的人才队伍。

三、研究方案总体研究方案学术思想本项目以基于蛋白质结构和相互作用生物网络研究为目标, 运用“多尺度、多层次分子模拟和网络动力学分析相结合”以及“理论计算与实验研究相结合”的基本策略，组织计算生物学、计算力学、分子与细胞生物学、化学和生物物理等优势力量，开展多学科综合性研究。

项目将在发展计算生物学新方法的基础上，综合运用分子模拟、复杂蛋白质复合体结构模拟和网络动力学分析等方法，结合相应的生物学实验平台，建立基于蛋白质结构和相互作用进行计算生物学研究的集成技术体系。

应用所发展的方法和建立的技术体系，选择比较重要、并且已有良好研究基础的生物网络，开展分子动力学和网络动力学关联性研究，并在此基础上开展具有特定生物功能新蛋白质的设计。

技术途径图2. 总体研究方案和技术路线示意图图2显示了本项目的总体研究方案和技术路线。

在方法学发展和建立公共计算平台基础上，实现“理论计算和实验相结合”的计算生物学研究新模式，扩展计算生物学的应用范围，开展分子动力学和网络动力学关联性和蛋白质设计研究。

1、计算生物学方法发展和公共计算平台的建立这是本项目的方法学源头，包括：蛋白质复合体(物)模建方法，多尺度分子动力学模拟方法，蛋白质－蛋白质(配体)相互作用热力学和动力学参数计算方法。

将这些计算方法整合，发展成适合于各种计算平台的软件系统，供参与本项目的研究人员使用。

这些方法的发展，为进行“基于蛋白质结构和相互作用的生物网络”研究提供重要的方法学保障和计算平台。

具体研究内容和技术方案将在课题1中叙述。

2、多尺度、多层次模拟和实验相结合策略探索“分子动力学和网络动力学关联性”(图2中A→C)是本项目的核心研究内容。

我们拟采用的技术方案是，在上述方法学发展的基础上，运用多尺度和多层次的模拟方法，研究生物网络形成的分子机制，获得描述生物网络中各个节点(功能模块)的热力学和动力学行为的参数(图2B)，将这些参数归属(反馈)到生物网络的节点中，作为网络动力学分析的基础参数，再运用合适的数学方法建立生物网络的动力学模型，即通过A→B→C的方式研究生物网络的动力学行为。