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作者(中文):吳佳蓁
論文名稱(中文):使用線性響應理論預測蛋白質結合配體後的結構變化
論文名稱(外文):Linear response theory to predict protein conformational changes upon ligand binding
指導教授(中文):楊立威
指導教授(外文):Yang, Lee-Wei
口試委員(中文):呂平江
蘇士哲
口試委員(外文):Lyu, Ping-Chiang
Sue, Shih-Che
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:生物資訊與結構生物研究所
學號:100080594
出版年(民國):103
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:蛋白質構型變化線性響應理論分子動力模擬彈性網絡模型
外文關鍵詞:protein conformational changesLinear Response TheoryMolecular Dynamics SimulationsENM
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蛋白質的構型變化與其功能息息相關,尤其對於具有催化功能的酵素而言。當配體位於酵素的活性部位時,蛋白質會因配體的誘導而產生區域變化至與配體穩定結合,此行為影響著酵素是否可以進行催化反應。本論文使用線性響應理論(LRT)預測蛋白質構型變化的方向,進而探討蛋白質構型變化是否來自於配體放置於其活性部位所產生的影響。不同於過往的研究是:線性響應理論利用CHARMM22給予的參數結合擬真的力場(全原子力場),詳細的計算配體對蛋白質內部造成的作用力,並結合彈性網絡模型求出的共變異矩陣,形成一個既快速(相較於使用分子動力學模擬)又細膩的方法來預測蛋白質因配體結合引起的構型變化。對於測試的蛋白質分類為構型變化與配體結合相關與不相關,發現線性響應理論並不適用於構型變化與配體結合無直接關係的蛋白質。在此篇研究中,對於構型變化與配體結合相關的蛋白質,我們在不需要結合狀態結構的資訊下,LRT在使用簡單吸引的擾動力下成功的預測蛋白質構性的變化,但是LRT使用分子動力學力場計算出來的擾動力與簡單吸引的擾動力對預測構型變化方向的結果並沒有差異,並且LRT預測的相關係數平均值比使用ANM的最低頻率mode預測的平均值更高,故推測使用LRT預測構型變化將比使用ANM的最低頻率mode更好。當LRT使用分子動力模擬取力,對配體位置有無做能量最小化對預測結果無顯著差異;若使用假設的簡單吸引力預測構型變化方向時,則做能量最小化有較高的相關係數平均值,推測有無能量最小化對假設簡單吸引力預測構型變化方向具有影響性,因此需要謹慎決定配體在蛋白質中的位置。
Conformational changes occurring in proteins are closely related to their biological functions. Ligands, when located near the active sites of enzymes, induce conformational changes that stabilize the ligand-enzyme complex and then catalyze appropriate chemical reactions. In this study, we use linear response theory to predict the direction of conformational changes that occur upon ligand binding. In contrast with the previous studies, forces upon ligand binding are obtained from all-atom force field with parameters of CHARMM22. In addition, we use covariance matrix obtained from ANM on unbound structure (ligand-free), thus developing a fast (compared to the use of molecular dynamics simulations) and accurate method to predict conformational changes upon ligand binding. Our dataset consists of proteins that undergo coupled and independent domain motions upon ligand binding. We find that LRT cannot be used to predict conformational changes of the latter. In the case of proteins that undergo coupled domain motion, we are able to predict the conformational changes upon ligand binding without any information from the bound structure. In addition, following results are observed for proteins with coupled domain motion. The conformational changes predicted with linear response theory using either MD derived forces or simple attractive forces are not significantly different from each other. Also, we see that the average correlation coefficient in the case of LRT predicted conformational changes is higher than that from ANM first mode. If MD forces are used in LRT, energy minimization has no significant effect on the correlation coefficient. When simple perturbation forces are used in LRT, the average correlation coefficient is higher when the initial ligand/free-protein complex is energy-minimized. Hence, we speculate that LRT results are sensitive to the position of ligand, especially when simple perturbation forces are used.
目錄
Abstract I
摘要: III
致謝: IV
常用縮寫: V
目錄 VIII
圖片目錄 IX
表格目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 配體所造成的構型變化 1
1.2 預測構型變化的功用 3
1.3 他山之石 4
第二章 理論與方法 6
2.1 線性響應理論 6
2.2 線性響應理論在此篇研究的應用 9
2.3 疊加 10
2.4 序列比對 13
2.5 能量最小化 14
2.6 用分子動力學模擬取出作用力 15
2.7 用各向異性彈性網絡模型求出共變異矩陣 17
2.8 SWISS MODEL 20
2.9 MATCH 21
2.10 DynDom 22
2.11 蛋白質資料來源 23
2.12 詳細方法 25
第三章 結果與討論 31
3.1 配體擾動的作用力對LRT的影響 31
3.2 統整配體擾動力做LRT預測的結果 42
3.3 共變異矩陣對LRT預測的影響 49
3.4 能量最小化對LRT的影響 50
3.5 預測結果可視圖 56
第四章 結論 61
附錄A 62
參考文獻 68
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