計算機模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對接

劉廣斌，趙東欣，馬　麗，姜曰水，盧　奎，3*

( 1．河南工業大學化學化工學院，河南鄭州450001; 2．曲阜師范大學生命科學學院，山東曲阜273165; 3．河南工程學院材料與化工學院，河南鄭州450007)

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計算機模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對接

劉廣斌1，趙東欣1，馬麗1，姜曰水2，盧奎1，3*

( 1．河南工業大學化學化工學院，河南鄭州450001; 2．曲阜師范大學生命科學學院，山東曲阜273165; 3．河南工程學院材料與化工學院，河南鄭州450007)

摘要:研究使用ZDOCK算法進行HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對接的準確性．采用Accelrys Discovery Studio 3．5軟件計算平臺，使用基于快速傅立葉轉換的ZDOCK分子對接程序進行蛋白HsRAD51與乳腺易感基因BRCA2的重復基元BRC4的分子對接，然后使用RDOCK程序進行結果優化，最后將通過分子對接得到的幾個蛋白-多肽復合物的三級結構與文獻報道的通過X射線測得的蛋白HsRAD51與BRC4復合物的準確結構進行疊合比較，結果發現其中一些結構的疊合效果較好，碳鏈骨架疊合的RMSD最小的為0．034 4 nm．推測使用ZDOCK分子對接程序來進行HsRAD51蛋白與多肽的對接，具有較高的準確性．該結果為今后研究HsRAD51蛋白與BRCA2其他重復基元的分子對接以及相互作用提供了重要依據．

關鍵詞:HsRAD51; BRC4; BRCA2; ZDOCK;分子對接

BRCA2蛋白與抑癌基因中的RAD51、P53蛋白等具有較強的相互作用，與多種腫瘤的發生具有較強的相關性［1－2］;同時BRCA2蛋白是修復DNA損傷的一種關鍵蛋白，可以參與多種基因表達的調節［3－5］．人的BRCA2蛋白與其他哺乳動物的BRCA2蛋白具有很高的同源性，其中包括8個序列高度保守的重復基元( BRC)，每個重復基元有35個左右的氨基酸殘基．研究BRCA2蛋白中的重復基元與功能分子之間的相互作用，可以為我們探索腫瘤的發病機理以及開發腫瘤多肽類藥物提供重要的指導［6－7］．

目前，BRCA2蛋白的8個BRC重復基元以及重復基元的突變體中只有BRC4與HsRAD51蛋白的晶體結構通過X射線的方法被準確測定［8］．本文作者利用已被確定具體結構的HsRAD51蛋白和BRC4復合物的3D結構，從中提取出HsRAD51蛋白結構模型和多肽BRC4結構模型，使用ZDOCK來計算兩者的結合模式［9］，并將計算的結果使用RDOCK算法進行優化，最后將所得復合物結構與真實晶體結構進行結構疊合比較，結果發現使用分子對接得到的復合物結構可以與已知的晶體復合物結構進行很好的疊合．

1　計算模擬實驗部分

1．1蛋白與多肽結構的處理

從蛋白質晶體數據庫中下載HsRAD51-BRC4的蛋白復合物結構( PDB: 1N0W)，然后在Accelrys Discoverys Studios 3．5平臺下對復合物結構進行處理，刪去其中的水分子以及小分子配體化合物，使用系統平臺自帶的Prepare protein工具對其進行蛋白結構優化，最后將優化后晶體結構中HsRAD51蛋白三級結構和BRC4的三級結構提取出來．

1．2分子對接

使用Accelrys Discoverys Studios 3．5平臺自帶的ZDOCK模塊進行受體HsRAD51蛋白與配體BRC4多肽的分子對接．在計算參數的設置中歐拉轉角為6°，設置結合模式“Top Poses”為2 000，“RMSD Poses”參數為1．0 nm，結合構型聚類的最大數目“Maxium Number of Clusters”參數為100，其他參數均使用缺省值，然后進行計算，得到HsRAD51蛋白與BRC4可能的結合位點圖(圖1)．從圖1中可以看出ZDOCK計算出兩者有很多種可能的對接模式．

圖1　HsRAD51蛋白與BRC4結合位點圖Fig．1 The binding sites image of HsRAD51 and BRC4

ZDOCKScore得分越高，說明對接模式可能越接近真實情況．選取其中ZDOCKScore超過15分的結合位點，然后使用RDOCK程序進行進一步的能量優化．E_RDOCK值越低說明RDOCK的對模型的評分越高，很有可能與真實的對接構象比較接近．結果發現ZDOCKScore排名前五個結合模式Pose1、Pose2、Pose3、Pose4、Pose5經過RDOCK優化后按照能量穩定性排名結果分別變為4、3、9、1、2(表1)，也就是說結合模式的排名發生了比較大的變化．

表1　RDOCK優化后的部分結合位點( ZDOCKScore＞15)的E_RDOCKTable 1 The E_RDOCK of some binding sites( ZDOCKScore＞15) refined by RDOCK

1．3模擬結構與真實構象的疊合

將RDOCK優化后的32種結合模式與真實蛋白-多肽復合物的構象1N0W使用superimpose程序進行疊合比較(圖2)，結果發現13種結合模式主碳鏈均可以與真實蛋白-多肽復合物1N0W進行很好的疊合，主碳鏈疊合RMSD均小于0．1 nm(表2)．從圖2中看出13種結合模式與真實的復合物構象的疊合程度較高，一些結合模式有較大的偏差．

圖2　RDOCK優化后的32種結合模式和1N0W疊合圖Fig．2 The superimpostion image of 1N0W and 32 kinds of binding models refined by RDOCK

表2　RDOCK優化后的32種結合模式和1N0W主碳鏈疊合比較結果Fig．2 The results of main-chain superimposition between 1N0W and 32 kinds of binding models refined by RDOCK

2　結果與討論

2．1使用計算模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對接的準確性

ZDOCK是基于傅立葉快速轉換技術( FFT)的大分子剛性對接算法，并且充分考慮了配體分子的柔性，在大分子－大分子的分子對接中具有很高的準確性;而RDOCK算法是基于CHARMM力場能量的最小化以及使用有靜電勢能和去溶劑化能組成的自由能打分函數來預測結合位點準確性的方法［10］．)從實驗中我們發現，ZDOCK的得分值最高的復合物結構( Pose1)與1N0W的結構差異較小，是接近真實構象的結構;但經過RDOCK優化后所得的復合物結構( Pose4)與1N0W疊合的RSMD最小，是所得的最接近真實構象的結構．也就是說，使用RDOCK程序來進一步優化ZDOCK分子對接得到模型可以進一步提高分子對接預測的可靠性．

另外在模擬實驗中，我們使用ZDOCK進行蛋白質與多肽的分子對接，然后使用RDOCK進行大分子分子對接結果的優化，結果發現13種結合模式的碳骨架都與已知的晶體結構1N0W的疊合RMSD均小于0．1 nm，也就是說使用ZDOCK來進行重復基元BRC4與HsRAD51蛋白的分子對接然后使用RDOCK程序進行進一步優化的模擬方法具有較高的準確性．

2．2使用計算模擬HsRAD51蛋白與多肽BRC4分子對接對其他BRC分子研究的意義

目前，關于BRCA2的重復單元與抑癌基因HsRAD51以及P53的研究，主要是通過氨基酸飽和突變［8］、酶聯免疫吸附實驗( Elasa)［11－12］、嵌合體［13］、免疫共沉淀［14］、三維電鏡結構分析［15］等實驗方法進行，而本實驗的結果為使用計算模擬研究包括BRC4在內的BRCA2重復基元與HsRAD51以及P53的相互作用機制提供了分子對接依據．

BRCA2的8個重復基元的氨基酸序列如下［6］:

由于各個重復基元與BRC4的序列一致性分別為: 28．6%、34．3%、45．7%、100．0%、25．7%、34．3%、37．1%、42．9%．蛋白質三級結構的保守性遠遠超過一級序列的保守性［16］，因此各個重復基元可能與重復基元BRC4有著非常相近的三級結構．由于序列一致性絕大多數都大于30%，我們可以通過蛋白質同源建模的方法來使用BRC4的三級結構作為模版來建立其他重復基元的三級結構，然后將建立的結構模型進行優化后使用ZDOCK算法與蛋白進行分子對接，找到最可能的結合模式，并進行進一步的虛擬突變篩選，最后再通過化學和生物實驗進行驗證，進而為發現BRCA2重復基元以及突變體與蛋白的真正結合模式、作用機制以及真實構象提供基礎．

3　結論

模擬實驗的結果表明，使用ZDOCK及RDOCK算法進行HsRAD51蛋白與BRCA2重復基元BRC4的分子對接進行結合模式的預測具有較高的準確性，可以用這種方法預測HsRAD51蛋白與BRCA2其他重復基元的結合模式．

參考文獻:

［1］RAYMOND J S，HOGUEC J R．Multiple primary tumours in women following breast cancer，1973－2000 ［J］．Brit J Cancer，2006，94: 1745－1750．

［2］STEINMANN D，BREMER M，RADESD，et al．Mutations of the BRCA1 and BRCA2 genes in patients with bilateral breast cancer ［J ］．Brit J Cancer，2001，106: 1460－1463．

［3 ］GUDMUNTSDOTTIR K，ASHWORTH A．The roles of BRCA1 and BRCA2 and associated proteins in the maintenance of genomic stability ［J ］．Oncogene，2006，25 ( 43) : 5864－5874．

［4 ］ROSENTHAL C K．BRCA2 in abscission ［J ］．Nat Cell Biol，2012，14( 8) : 792－792．

［5］KOTEJARAI Z，ELES R A．BRCA1，BRCA2 and their possible function in DNA ［J］．Brit J Cancer，1999，81: 1099－1102．

［6］BIGWELL G，MICHAELR．STRATTON M R，et al．The BRC repeats are conserved in mammalian ［J］．Hum Mol Genet，1997，6: 53－58．

［7］CARREIRA A，HILARIO J，et al．The BRC Repeats of BRCA2 Modulate the DNA-Binding Selectivity of RAD51 ［J］．Cell，2009，136( 6) : 1032－1043．

［8 ］PELLEGRINIL，YU D S，LO T，et al．Insights into DNA recombination from the structure of a HsRAD51-BRCA2 complex ［J］．Nature，2002，420: 287－293．

［9］CHEN R，LI L，WENG Z P．ZDOCK: an initial-stage protein-docking algorithm ［J］．Proteins，2003，52( 1) : 80－87．

［10］QASIM M A，VANETTEN R L，YEH T，et al．Despite having a common P1 Leu，eglin C inhibits alpha-lytic proteinase a million-fold more strongly than does turkey ovomucoid third domain ［J ］．Biochemistry，2006，45 ( 38) : 11342－11348．

［11 ］OCHIAI K，YOSHIKAWA Y，YOSHINATSU K．Valine 1532 of human BRC repeat 4 plays an important role in the interaction between BRCA2 and RAD51 ［J ］．FEBS Lett，2011，585( 12) : 1771－1777．

［12］YOSHIKAWA Y，OCHIAI K，MORIMASTU M．Effects of the missense mutations in canine BRCA2 on BRC repeat 3 functions and comparative analyses between canine andhuman BRC repeat 3 ［J ］．PLoS One，2012，7( 10) : e45833．

［13］NOMME J，RENODON C A，ASONOMI Y．Design of potent inhibitors of human RAD51 recombinase based on BRC motifs of BRCA2 protein: modeling and experimental validation of a chimera peptide ［J］．J Med Chem，2010，53( 15) : 5782－5791．

［14 ］CHALERMRUJINANANT C，MICHOWSKI W，SITTITHUMCHAREE G，et al．Cyclin D1 promotes BRCA2-Rad51 interaction by restricting cyclin A/B-dependent BRCA2 phosphorylation ［J］．Oncogene，2015: 1－9．

［15］SHAHID T，SOROKA J，KONG E，et al．Structure and mechanism of action of the BRCA2 breast cancer tumor suppressor ［J ］．Nat Struct Mol Biol，2014，21: 962－968．

［16］LESK A M，CHOTHIA C．How different amino acid sequences determine similar protein structures: the structure and evolutionary dynamics of the globins ［J］．J Mol Bio，1980，136( 3) : 225－270．

［責任編輯:吳文鵬］

Computer simulation of the molecular docking between HsRAD51 and BRC4

LIU Guangbin1，ZHAO Dongxin1，MA Li1，JIANG Yueshui2，LU Kui1，3*

( 1．School of Chemistry and Chemical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450051，Henan，China;
2．School of Life Science，Qufu Normal University，Qufu 273165，Shandong，China;
3．School of Material and Chemical Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 450057，Henan，China)

Abstract:The accuracy of the molecular docking between HsRAD51 and BRC4 was studied by using the procedure ZDOCK．Based on the software Accelrys Discovery Studio 3．5 computing platform，the molecular docking between HsRAD51 and BRC4 was carried out，then the docking results were refined by the procedure RDOCK．In the process of superimposing those binding modes with the real conformation confirmed by X-ray，it was found that some binding modes were consistent with the reference complex conformation and the minimal RMSD of main-chain superimposition was 0．034 4 nm．It indicated that the molecular docking using ZDOCK had a better accuracy．Those results are significant for studying the molecular docking and interaction between HsRAD51 and other BRCA2 repeat motifs in the future．

Keywords:HsRAD51; BRC4; BRCA2; ZDOCK; moleculardocking

作者簡介:劉廣斌( 1983－)，男，碩士生，主要從事化學生物學方面的研究．*通訊聯系人，E-mail: lukui126@ 126．com．

基金項目:國家自然科學基金( 21172054，21572046，21301050)．

收稿日期:2015－10－15．

中圖分類號:O629．7

文獻標志碼:A

文章編號:1008－1011( 2016) 01－0097－05