一种基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法。首先获取S蛋白不同状态下与抗体结合和未与抗体结合的结构，构建蛋白质溶剂化模型；其次，进行能量最小化、预平衡和分子动力学模拟，得到各体系的模拟轨迹；之后进行动态网络分析，并将各结构域视作刚体，以其质心之间的连线计算二面角的角度，得到宏观的结构域变化趋势；再进行残基自由能分解，获取抗原抗体结合中贡献更大的残基，其更有可能在结合过程中引发更深层次的调控作用；最后对模拟轨迹的变化特征进行时滞性独立分量分析，对每个残基对轨迹的变化贡献进行了打分，得出该残基对于轨迹变化调控作用，为新冠病毒S蛋白的治疗靶点提供了新思路。提供了新思路。提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法


[0001]本公开涉及分子动力学计算机模拟
，具体为一种基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法。

技术介绍

[0002]此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的
技术介绍
信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题。
[0003][0004]SARS
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2是一种有包膜的单股正链RNA病毒，编码4种结构蛋白，16种非结构蛋白以及一些辅助蛋白。SARS
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2刺突糖蛋白(Spike glycoprotein)，简称为S蛋白，是新冠病毒感染人体的关键蛋白，包含S1和S2两个亚基，S1及S2分别介导病毒与宿主细胞血管紧张素转换酶2(ACE2)的结合及膜融合过程。其中，S1亚基上又分为N端结构域(N
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terminal domain,简称NTD)和受体结合域(Receptor binding domain,简称RBD)。其中，RBD区域就是新冠病毒S蛋白RBD与人类ACE2受体链接的关键区域。因此，阻断新冠病毒S蛋白RBD与ACE2的结合是抗新冠药物设计的重要策略之一。S蛋白与ACE2也是抗新冠病毒药物及疫苗研究的重要靶标。
[0005]RBD有Up和Down两种状态，只有Up状态才有可能与人ACE2受体蛋白进行识别配对，从而引发S1和S2亚基的裂解，使病毒RNA进入宿主细胞。已有的研究表明，NTD区域在参与RBD与ACE2受体的结合过程中也有着间接的影响，但它在感染过程中的贡献仍然不够明确。目前已有的研究显示，NTD并不直接参与S蛋白结合到ACE2这一关键步骤，并且发现了一种单克隆抗体4A8直接与NTD相互作用，不阻断RBD与ACE2的结合，但仍表现出中和作用。而在对NTD的研究中发现，RBD的Up和Down构象与NTD和RBD之间的二面角、扭转角及距离有非常高的相关性，这些研究表明NTD参与了S蛋白中RBD的功能构象改变，从而参与病毒感染的调控。因此对NTD和抗体结合的相互作用探讨，与调控RBD构象的机理研究将有利于促进现代医学对新冠病毒中和机制的认知，为治疗新冠病毒所导致的疾病提供新的研究角度。
[0006]目前对于S蛋白研究多局限于RBD，实验研究也均集中于RBD区域的结构变化，少有人关注到NTD上与抗体的结合对RBD与ACE2结合的调控作用。如申请号CN202010945544.0专利名称为“SARS
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2S蛋白RBD区中和表位肽及其应用”，通过获取氨基酸残基，对关键的氨基酸残基进行定点突变，检测SARS
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2S蛋白RBD突变体与中和抗体Fab的亲和力，根据RBD点突变对亲和力的影响程度，确定表位肽段。其次，现有的实验观测和计算机模拟都着眼于抗体结合过程的研究，其实验研究具有一定的局限性，影响导向较为单一，且可观测性较差。加之湿实验条件较苛刻，成本较高，不易操作，难以连续性观测NTD结合抗体后对RBD的动态调整过程，使得对蛋白质结构研究有限。且抗体结合后对于远端区域的调控是一个更长时间尺度，更大空间上的连续过程，其现象更难观测，关键作用位点更难以定位。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术的目的在于解决现有技术中的一部分问题，或至少缓解这些问题。
[0008]一种基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法，包括：
[0009]获取S蛋白不同状态下与抗体结合和未与抗体结合的结构；
[0010]将获取的结构分别构建成溶剂化模型；
[0011]对构建的溶剂化模型进行能量最小化、预平衡模拟和分子动力学模拟，获得溶剂化模型的结构模拟轨迹；对模拟轨迹稳定后的结构进行聚类，得到代表构象；
[0012]对获得的结构模拟轨迹和代表构象进行动态网络分析和二面角计算，得出结合抗体后结构域的变化趋势，获得蛋白质整体结构的变化特征；
[0013]基于蛋白质整体结构的变化特征，对抗原抗体结合界面进行结合自由能计算，并进行残基自由能分解，寻找抗原抗体结合中的关键作用位点以及潜在的对蛋白质结构的调控机制；
[0014]对蛋白质整体结构的变化特征进行tICA(时滞性独立分量)分析，描述对RBD的整体运动贡献较大的关键残基，以此研究残基的调控机制。
[0015]进一步的，获取S蛋白不同状态下与抗体结合和未与抗体结合的结构，包括：获取S蛋白与抗体4A8的复合物结构，提取Up状态下未与抗体结合的结构A1与Up状态下与抗体结合的结构A2，Down状态下未与抗体结合的结构B1与Down状态下与抗体结合的结构B2；所述溶剂化模型包括A1、A2、B1、B2、以及溶质离子和溶剂。
[0016]进一步的，对构建的溶剂化模型进行能量最小化、预平衡模拟和分子动力学模拟，包括如下步骤：
[0017]使用CHAMM
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GUI软件中的NAMD模拟模块，结合最速下降法和共轭梯度法对溶剂化模型进行能量最小化优化，获得能量优化后体系；
[0018]使用分子动力学模拟软件中的分子动力学模拟模块对获得的能量优化后体系进行预平衡模拟，获得预平衡体系；
[0019]在分子动力学模拟软件中的分子动力学模拟模块，对获得的预平衡体系进行分子动力学模拟，获得溶剂化模型的结构模拟轨迹。
[0020]优选的，所述能量最小化优化包括采用CHARMM36m力场对蛋白质氢原子以及溶液离子、溶液分子的位置和结构进行优化。
[0021]优选的，所述预平衡模拟采用NAMD进行1ns的预平衡模拟，预平衡模拟分4步进行，与303.15～330.5K的环境温度下逐步分开对蛋白质重原子的位置限制。
[0022]优选的，所述分子动力学模拟使用热浴法将压强控制为1atm，温度控制采用Langevin法，环境设置为303.15～310.5K；使用SHAKE算法来约束所有含氢键的长度，设定范德华力和静电力的截断值为非键相互作用的截断值设置为蛋白质与盒子边距具有缓冲区域，步长为2fs每步，对每个体系进行了300ns的模拟，所有模拟使用NAMD2.13软件来运行。
[0023]进一步的，所述动态网络分析的步骤包括，结合VMD程序中的Dynamic network analysis模块对获得的结构模拟轨迹和代表构象进行动态网络分析，分析不同体系的整体
结构的运动情况，得到宏观视角下不同体系之间结构域的运动差异；
[0024]所述二面角计算的步骤包括，对获得的结构模拟轨迹和代表构象分别进行NTD与RBD之间的二面角计算，得到不同体系二面角的数据，得到具体结构域的运动差异，以及不同状态下NTD与4A8结合后的结构变化趋势。
[0025]进一步的，所述结合自由能计算的步骤包括，对使用分子动力学模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法，其特征在于，包括：获取S蛋白不同状态下与抗体结合和未与抗体结合的结构；将获取的结构分别构建成溶剂化模型；对构建的溶剂化模型进行能量最小化、预平衡模拟和分子动力学模拟，获得溶剂化模型的结构模拟轨迹；对模拟轨迹稳定后的结构进行聚类，得到代表构象；对获得的结构模拟轨迹和代表构象进行动态网络分析和二面角计算，得出结合抗体后结构域的变化趋势，获得蛋白质整体结构的变化特征；基于蛋白质整体结构的变化特征，对抗原抗体结合界面进行结合自由能计算，并进行残基自由能分解，寻找抗原抗体结合中的关键作用位点以及潜在的对蛋白质结构的调控机制；对蛋白质整体结构的变化特征进行tICA(时滞性独立分量)分析，描述对RBD的整体运动贡献较大的关键残基，以此研究残基的调控机制。2.根据权利要求1所述的基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法，其特征在于，获取S蛋白不同状态下与抗体结合和未与抗体结合的结构，包括：获取S蛋白与抗体4A8的复合物结构，提取Up状态下未与抗体结合的结构A1与Up状态下与抗体结合的结构A2，Down状态下未与抗体结合的结构B1与Down状态下与抗体结合的结构B2；所述溶剂化模型包括A1、A2、B1、B2、以及溶质离子和溶剂。3.根据权利要求1或2所述的基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法，其特征在于，对构建的溶剂化模型进行能量最小化、预平衡模拟和分子动力学模拟，包括如下步骤：使用CHAMM
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GUI软件中的NAMD模拟模块，结合最速下降法和共轭梯度法对溶剂化模型进行能量最小化优化，获得能量优化后体系；使用分子动力学模拟软件中的分子动力学模拟模块对获得的能量优化后体系进行预平衡模拟，获得预平衡体系；在分子动力学模拟软件中的分子动力学模拟模块，对获得的预平衡体系进行分子动力学模拟，获得溶剂化模型的结构模拟轨迹。4.根据权利要求3所述的基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法，其特征在于，所述能量最小化优化包括采用CHARMM36m力场对蛋白质氢原子以及溶液离子、溶液分子的位置和结构进行优化。5.根据权利要求3所述的基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域变构调控的方法，其特征在于，所述预平衡模拟采用NAMD进行1ns的预平衡模拟，预平衡模拟分4步进行，与303.15～330.5K的环境温度下逐步分开对蛋白质重原子的位置限制。6.根据权利要求3所述的基于计算机模拟获取远端残基对新冠病毒S蛋白受体结合域...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁帅，刘虹涛，周双艳，田自辉，解增言，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：