一种基于病毒三维重建进行分子模拟研究的基本思路

李晶，赵海燕，李鲲鹏

1. 成都军区昆明总医院 设备科，云南昆明 650032；2.云南省第一人民医院眼科，云南 昆明 650032；3.中山大学生物防治国家重点实验室, 广东 广州510275

近年来，病毒的传播和变异使人类的生命健康受到威胁，甚至造成社会的动荡不安。解析病毒的三维结构，对疾病的防治及抗病毒药物的开发有重要意义。病毒是最简单的生物系统，它具有生命体的某些特性，如具有基因组，能繁殖、进化、适应环境改变等。自从1892年伊凡诺夫斯基第一次发现烟草花叶病毒（TMV）以来，对病毒的形态和结构研究就一直是病毒学研究的主要课题。病毒结构多种多样，本项目侧重研究与人类疾病有关的二十面体对称型病毒。该病毒的功能与其特定的空间结构有关，尤其是与活性区域的结构有着密切关系。大部分病毒由蛋白衣壳以及核酸组成。病毒衣壳基因主要作用就是作为合成衣壳蛋白的模板。衣壳蛋白对病毒的复制起重要作用。因此，测定解析病毒蛋白衣壳结构，预测蛋白的运动变化，可以从根本上了解病毒结构从而控制病毒。

1 研究现状

分子模拟是另外一项对蛋白结构预测的技术。分子模拟是以实验测试的结构为模板，建立原子水平的模拟模型，再根据原子分子物理化学原理，预测蛋白质的结构。模拟模型和运算原理由力场和算法来体现。力场是模型的体现，算法体现所运用的物理化学原理核心是“能量最低状态”。而利用分子模拟技术，结合计算机图形技术可以更形象、更直观地研究蛋白质等生物大分子的结构。分子模拟能够在实验测定的基础上，更加精细的解析蛋白分子动态结构，继而更改及设计出性能符合人们要求的新结构，其重要意义是不言而喻的。在国外它一直是个研究热点，主要集中于对模拟模型的建立和算法的优化研究上[1]。模拟模型试图不断地接近真实的原子结构[2]，出现了MM系列力场、AMBER力场、CHARMm力场以及第二代力场。算法方面的研究主要侧重对经典算法的改进提高[3]。核心算法还是围绕量子力学方法、分子力学法、蒙特卡洛法、分子动力学等方法。其中，分子动力学能研究体系中与时间和温度有关的性质，对动态特性的研究更显优势。还有一些直接由一级结构直接预测蛋白质空间结构的纯计算方法包括遗传算法[4]、模拟退火[5]、多维统计[6]、模糊集合论方法[7]等。这些模型和方法都存在实用方面的局限以及预测精度欠佳等问题[8-10]。国内分子模拟的研究相对于国外起步较晚，分子模拟多为直接应用软件Insight II和Quanta等来进行。现有的研究中，以电镜为基础进行的预测，多为用单纯的电镜结构与分子模拟结构拟和进行比对来对分子结构进行预测。而把电镜结构数据作为边界条件，加之一定力场，结合分子动力学方法所进行的分子模拟计算，未见相关报道。

综合上述各种方法的现状及发展趋势可知：利用电镜对蛋白结构的解析有分辨率在逐步提高，并适用范围逐步扩大。由于分辨率的限制，电镜对蛋白分子结构的解析，只能比喻为一张对蛋白分子结构轮廓的静态照片。若加之分子模拟技术则可以描述出分子结构的动态图像。进而描述蛋白分子结构的行为和变化。这种技术对揭示蛋白质的结构和功能关系、总结蛋白质结构的规律、预测蛋白质肽链折叠和蛋白质结构等，都是有力的促进。因此，本项目提出以电镜结构数据为基础的分子模拟研究，就是以电镜结构数据作为边界条件，参与分子模拟的计算。分子模拟使用CHARMm力场，应用分子动力学方法进行蛋白结构的解析预测，最终用三维图像显示技术，将蛋白序列与电镜结构拟和显示出来。

2 研究方法

2.1 本项目的基本思路

用电子显微学方法得到病毒的三维结构密度图，进行局部分割显示，尤其是对功能域进行局部的分割、控制与计算，得到病毒的外围结构数据。以此为边界条件，结合分子生物学对序列的测定，使用CHARMm力场，应用分子动力学方法进行蛋白结构的解析预测。再用三维图像显示技术对各个部分所得结构进行嵌和显示。

2.2 研究目的

目的在于解析蛋白分子空间结构，了解它的结构功能关系，为病毒的防治提供基础数据。

2.3 数据获取

用单颗粒技术方法研究的样品包括：浓核病毒、家蚕质多角体病毒、中锋囊状病毒。对它们进行电镜三维重建，得到三维结构数据的分辨率分别为：1.4 nm、2.5 nm、2.5 nm（前期的研究已经获得该项数据）。

2.4 数据处理

（1）将病毒进行任意区域的分割、控制及形态计算。

（2）用分子动力学中混合蒙特卡罗模拟方法，建立蛋白结构的数学模型。将分割后的病毒形态作为边界约束，采用形态匹配，预测病毒功能结构域空间分布，获得每个任意局部和氨基酸序列的对应关系。

（3）统一结构坐标，将病毒的X射线晶体衍射三维结构数据与冷冻电镜三维重构的电子云密度图进行拟和。

（4）比较分子模拟与晶体衍射结构，以验证方法和算法的正确性。

3 结束语

本项目选择材料有浓核病毒、登革病毒、家蚕质多角体病毒、中锋囊状病毒作为研究材料，重点以家蚕质多角体病毒衣壳蛋白VP3实例进行分子模拟预测。本项目综合国内外的研究状况，结合自身的研究基础，基于病毒重建三维结构数据，进行计算机分子模拟。这个方面的研究在世界范围内也是近几年才起步的，而基于电子显微学方法进行病毒的三维重建，结合分子动力学方法所进行的分子模拟研究，尚未见报道。如获得经费资助，经过努力，可以在现有技术的基础上，建立基于电镜数据的分子模拟，实现对病毒等大分子蛋白复合物二、三级结构的预测，在分子水平上对蛋白质任意局部分割，量化计算，控制改变任意局部的空间位置，为疾病的防治和药物的开发奠定基础。

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