Discovery Studio 2.0的模塊擴展及應用：殘基水平非鍵相互作用能量的自動批量計算

高躍東, 黃京飛

(1. 中國科學院昆明動物研究所 遺傳資源與進化國家重點實驗室, 云南 昆明 650223 2. 中國科學院研究生院, 北京 100049;3. 中國科學院昆明動物研究所－香港中文大學生物資源與疾病分子機理聯合實驗室, 云南 昆明 650223)

Discovery Studio 2.0的模塊擴展及應用：殘基水平非鍵相互作用能量的自動批量計算

高躍東1,2, 黃京飛1,3,*

(1. 中國科學院昆明動物研究所 遺傳資源與進化國家重點實驗室, 云南 昆明 650223 2. 中國科學院研究生院, 北京 100049;3. 中國科學院昆明動物研究所－香港中文大學生物資源與疾病分子機理聯合實驗室, 云南 昆明 650223)

非鍵相互作用對于生物體系中的分子識別和結合過程起著關鍵作用。然而, 傳統的方法并不能在殘基水平自動批量計算非鍵相互作用。近年來, 已經發展了一些方法和工具進行非鍵相互作用的計算分析。該文研究發展了一種可以自動計算殘基間非鍵相互作用的方法, 即用Perl腳本調用Discovery Studio 2.0 (DS2.0, Accelrys Inc.) 底層模塊中的非鍵相互作用協議, 實現了直接利用命令行批量計算非鍵相互作用能量, 而無需通過DS2.0的圖形界面。該方法擴展了DS2.0的計算模塊, 并于近期運用到了復合結構的研究分析中。

非鍵相互作用；模塊擴展; Discovery Studio 2.0

在生物分子體系中, 除了共價鍵外還存在許多非鍵相互作用，涉及生命活動的許多方面。非鍵相互作用在生物分子結構的穩定性方面起著重要作用, 例如在蛋白與DNA、蛋白與RNA分子復合物體系中, 非鍵相互作用是維持復合物結構穩定性的主要因素。另外, 它們在生物分子識別、離子載體的選擇性、分子組裝、分子簇形成等方面也都起著關鍵作用(McCullagh et al, 2008)。在生物過程中, 信息的傳遞不僅需要分子間能夠識別并形成復合物體系, 有時也要求復合物能容易解離。非鍵相互作用不形成共價化學鍵的特性, 使得其能夠在生命過程中發揮關鍵作用。深入的研究和理解非鍵相互作用機制是了解復合物分子功能的重要方面(Waters,2002)。

非鍵相互作用可以分為分子內相互作用和分子間相互作用。分子內相互作用決定了分子結構的形成及其構象(conformations)變化; 而分子間相互作用則在許多方面起著重要作用, 如藥物小分子與靶蛋白的識別和結合(Pyrkov et al, 2010)、結構化學(Ashenhurst, 2010)和材料分子研究(Nakashima et al,2008), 以及RNA分子體系研究(Spriggs et al, 2008)等。因此, 分子間相互作用更為人們所廣泛關注。

對于生物分子復合物體系, 其結構和功能方面的研究不可避免地需要進行非鍵相互作用的計算和評估。一般來說, 在經驗力場中, 對非鍵相互作用描述的重要性等同于對共價鍵性質的描述(Brooks et al, 1983; Weiner & Kollman, 1981), 前者包含靜電力(coulombic)和范德華相互作用(Sagui &Darden, 1999); 后者包含鍵長、鍵角和二面角。在分子動力學模擬過程中, 非鍵相互作用的計算和評估非常耗費計算機時。盡管已有大量的研究涉及對非鍵相互作用的計算和分析(Sundaram & Prasad,1982; Van Der Spoel et al, 2005), 但傳統的計算分析工具無法在殘基水平上成對批量自動計算非鍵相互作用能量。

Discovery Studio 2.0(DS2.0, Accelrys Inc.)計算分析引擎提供了相對完善的分子建模和模擬環境, 目前已被廣泛應用于醫藥、生物技術、化學和化工等領域的科學研究中(Hirashima & Huang, 2008;Spassov & Yan, 2008)。在該軟件包中, 計算非鍵相互作用需在圖形界面下完成, 無法實現殘基對之間非鍵相互作用的批量自動計算。本文對DS2.0的非鍵相互作用的計算模塊和協議(protocol)進行了擴展。

1 方 法

1.1 程序概述

程序設計的目的是通過擴展開發, 使程序模塊能在殘基水平自動計算非鍵相互作用。總體策略是通過編輯 DS2.0原有的底層組件(components), 使其具有接收外部程序傳遞參數信息的接口, 同時接合Perl (Stajich et al, 2002)語言腳本進行相應的流程控制, 以達到批量計算的功能。輸入文件為PDB格式文件以及包括具體參數信息的 ASCII文本文件,通過命令行調用改進后的非鍵相互作用計算模塊,程序將自動計算指定殘基間的非鍵相互作用。以上操作過程不需要用戶打開DS2.0程序客戶端窗口而實現了后臺計算。

1.2 程序結構

程序分兩個結構單元, 即能夠接受輸入參數的非鍵相互作用計算模塊和Perl腳本控制程序。兩個結構單元在程序底層通過管道控制模塊服務(pipeline pilot server, Accelrys Inc.)進行通訊, 以達到協同計算的目的。

在這里, 能夠接受輸入參數的非鍵計算模塊是在DS2.0模塊“Calculate Interaction Energy protocol”的基礎上擴展開發而來的, 并被命名為“AutoNBEC”(auto non-bonded energy calculator protocol)。參數傳遞由管道控制模塊Pipeline Pilot v.7.5 (Accelrys Inc)完成。通過重新編輯相關組件(components), 將修改過的計算模塊“AutoNBEC”導入到DS2.0環境中。AutoNBEC 主要根據用戶指定的殘基, 通過讀取PDB文件中殘基的結構信息, 利用相關力場所定義的能量函數進行非鍵相互作用(靜電作用和范德華作用)能量計算。DS2.0計算引擎可調用多種力場計算, 在此，我們調用了經典的CHARMm力場進行計算。在DS2.0的計算模塊中, 對非鍵相互作用的計算截斷(cut off)值采用默認值14 ?。

Perl腳本利用 DS2.0的應用程序編程接口(application programming interface, API)調用DS2.0的相應計算模塊。API基于面向對象程序設計(object-oriented programming, OPP)策略, 封裝了相應的計算及操作模塊。Perl腳本的優勢在于它能夠直接調用 DS2.0的底層模塊。因此, 可避免打開DS2.0的圖形窗口, 達到了通過命令行運行批量計算任務的目的。

1.3 程序流程

程序的工作流程包括主要的六個階段：(1)對用戶輸入文件內容進行解析；(2)對計算環境進行初始化并對計算分子分配CHARMm力場參數；(3)產生所有原子的索引； (4)利用哈希(Hash)模型構建需要計算的殘基對的數組列表；(5)把需要計算的相關參數傳遞給AutoNBEC模塊；(6)解析計算結果并輸出結果文件。圖1顯示了AutoNBEC protocol的計算流程細節。

2 結 果

2.1 輸入文件

用戶以ASCII文本文件形式指定PDB文件中

需要計算的鏈編號信息。文件包括三列內容, 以tab

圖1 AutoNBEC非鍵相互作用計算模塊流程Fig. 1 Schematic workflow of the AutoNBEC module

鍵分隔, 第一列是需要計算的 PDB 代碼(PDB code), 其余兩列是該 PDB文件中需要計算鏈的順序索引。第一條鏈索引號為 0, 第二條鏈索引號為1, 并以此類推。同時, 用戶還需要提供計算所需的PDB格式文件。圖2(A)顯示了輸入文件的格式。

2.2 程序的執行

AutoNBEC 是對 DS2.0非鍵相互作用計算模塊的擴展。因此, 必須在DS2.0計算引擎環境下運行。首次運行時需要把AutoNBEC導入DS2.0的計算引擎環境中。剩余步驟為：在Windows環境下打開CMD窗口(linux環境下則打開terminal終端), 隨后以命令行方式運行程序的Perl腳本。

另外, 讀者可向本文通訊作者(Email: huangjf@mail.kiz.ac.cn, Tel: 86-871-5195183)提出計算要求,并通過Email形式獲取計算結果。

2.3 程序輸出及應用實例

計算結果以文本文件形式輸出, 數據之間以tab鍵分隔。每一行包括進行計算的殘基名稱、編號、所屬鏈、計算時間、非鍵能量總值、靜電作用能量、范德華作用能量等結果信息(圖2, C)。結果文件可通過文本編輯軟件或圖形顯示軟件進行深入后續分析。

圖2 AutoNBEC非鍵相互作用計算模塊輸入輸出文件格式及運行狀態截圖Fig. 2 Input file, output file and running state of the AutoNBEC module

AutoNBEC可應用于生物大分子復合物的分析中, 如蛋白質-DNA、蛋白質-RNA、蛋白質-蛋白質等復合體系中生物分子間的相互作用分析。我們利用該工具對依賴NAD+的DNA連接酶與底物DNA的復合體進行殘基水平上的非鍵相互作用分析(Gao & Huang, 未發表資料)。結果顯示, 連接酶與DNA的非鍵相互作用在幾個區域有明顯的強相互作用(圖3), 其中I、V、VI 三個區域對應于該類酶先前研究報道過的序列高度保守的功能區(Shuman & Lima, 2004)。進一步地結合序列保守性分析及結構比對信息, 我們發現其他三個強作用區域(A、B、C)也高度保守, 提示可能也具有功能作用。最近研究發現的一些功能殘基位于我們預測的這三個強作用區域(Wang et al, 2008, 2009)。

圖3 依賴NAD+ 的DNA 連接酶(ligase)與DNA復合物(PDB code:2owo)殘基水平的非鍵相互作用Heatmap圖(adenylation和OB結構域)Fig. 3 Heatmap representation of pair-wise nonbonded energy values in NAD+ dependent DNA ligase complex (adenylation domain and OB domain, PDB code: 2owo)

3 討 論

傳統的非鍵相互作用的計算工具無法在殘基水平上批量自動計算, 而批量自動計算非鍵相互作用能量則大大方便了對生物分子復合體系進行深入的結構與功能分析。本研究基于DS2.0的計算引擎, 結合Perl腳本的編程, 擴展了DS2.0原有的計算模塊功能, 實現了殘基水平上的非鍵相互作用能量的批量計算。

在 PDB結構數據庫中, 分子復合體系的結構數據遠遠少于單晶體的蛋白質數據, 但是, 生物分子間的識別、結合和相互作用構成了一切生命活動的基礎。因此, 深入了解分子識別與接合機制對于了解生命過程具有重要意義。本文發展的新方法有助于對現有復合物結構數據的非鍵相互作用能量進行自動批量計算, 便于研究者全面、準確掌握分子復合體中殘基水平上的非鍵相互作用特征, 對深入研究生物分子的結構-功能關系以及藥物設計和篩選均有幫助意義。

由于AutoNBEC是在DS2.0非鍵相互作用模塊的基礎上開發出來的。因此, 必須在DS2.0計算引擎環境下才能運行。DS2.0為需要購買授權許可(license)的商業軟件包, 這一特點限制了AutoNBEC模塊的發布和應用。

致謝：感謝 Nico Chen (Neotrident Inc.)在protocol編寫中的建議與幫助。

Ashenhurst JA. 2010. Intermolecular oxidative cross-coupling of arenes [J].Chem Soc Rev,39(2): 540-548.

Brooks BR, Bruccoleri RE, Olafson BD, States DJ, Swaminathan S, Karplus M. 1983. CHARMM: A program for macromolecular energy,minimization, and dynamics calculations [J].J Comut Chem,4: 187-217.

Hirashima A, Huang H. 2008. Homology modeling, agonist binding site identification, and docking in octopamine receptor of Periplaneta americana [J].Comput Biol Chem,32(3): 185-190.

McCullagh M, Prytkova T, Tonzani S, Winter ND, Schatz GC. 2008.Modeling self-assembly processes driven by nonbonded interactions in soft materials [J].J Phys Chem B,112(34): 10388-10398.

Nakashima H, Furukawa K, Kashimura Y, Torimitsu K. 2008. Self-assembly of gold nanorods induced by intermolecular interactions of surfaceanchored lipids [J].Langmuir,24(11): 5654-5658.

Pyrkov TV, Ozerov IV, Blitskaia ED, Efremov RG. 2010. Molecular docking:role of intermolecular contacts in formation of complexes of proteins with nucleotides and peptides [J].Bioorg Khim,36(4): 482-492.

Sagui C, Darden TA. 1999. Molecular dynamics simulations of biomolecules: long-range electrostatic effects [J].Annu Rev Biophys Biomol Struct,28: 155-179.

Shuman S, Lima CD. 2004. The polynucleotide ligase and RNA capping enzyme superfamily of covalent nucleotidyltransferases [J].Curr Opin Struct Biol,14(6): 757-764.

Spassov VZ, Yan L. 2008. A fast and accurate computational approach to protein ionization [J].Protein Sci,17(11): 1955-1970.

Spriggs S, Garyu L, Connor R, Summers MF. 2008. Potential intra- and intermolecular interactions involving the unique-5' region of the HIV-1 5'-UTR [J].Biochemistry,47(49): 13064-13073.

Stajich JE, Block D, Boulez K, Brenner SE, Chervitz SA, Dagdigian C,Fuellen G, Gilbert JG, Korf I, Lapp H, Lehvaslaiho H, Matsalla C,Mungall CJ, Osborne BI, Pocock MR, Schattner P, Senger M, Stein LD,Stupka E, Wilkinson MD, Birney E. 2002. The Bioperl toolkit: Perl modules for the life sciences [J].Genome Res,12(10): 1611-1618.

Sundaram K, Prasad CV. 1982. A program to calculate non-bonded interaction energy in biomolecular aggregates [J].Comput Programs Biomed,14(1): 41-46.

Van Der Spoel D, Lindahl E, Hess B, Groenhof G, Mark AE, Berendsen HJ.2005. GROMACS: fast, flexible, and free [J].J Comput Chem,26(16):1701-1718.

Wang LK, Nair PA, Shuman S. 2008. Structure-guided mutational analysis of the OB, HhH, and BRCT domains of Escherichia coli DNA ligase[J].J Biol Chem,283(34): 23343-23352.

Wang LK, Zhu H, Shuman S. 2009. Structure-guided mutational analysis of the nucleotidyltransferase domain of escherichia coli DNA ligase(LigA) [J].J Biol Chem,284(13): 8486-8494.

Waters ML. 2002. Aromatic interactions in model systems [J].Curr Opin Chem Biol,6(6): 736-741.

Weiner PK, Kollman PA. 1981. AMBER: Assisted model building with energy refinement. A general program for modeling molecules and their interactions [J].J Comput Chem,2: 287-303.

An extension strategy of Discovery Studio 2.0 for non-bonded interaction energy automatic calculation at the residue level

GAO Yue-Dong1,2, HUANG Jing-Fei1,3,*

(1. State Key Laboratory of Genetic Resources and Evolution,Kunming Institute of Zoology, the Chinese Academy of Sciences,Kunming650223,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China; 3.Laboratory of Bioresources and Molecular Research in Common
Diseases,Kunming Institute of Zoology,the Chinese Academy of Sciences,Chinese University of Hong Kong,Kunming650223,China)

Non-bonded interaction forces play crucial roles in molecular recognition and binding in biological systems. However, it is difficult for traditional methods to automatically calculate and batch the non-bonded energy at the residue level. In recent years, many studies have focused on non-bonded interactions and developed tools to calculate and analyze such interactions. In this study, we present a highly automated approach for the calculation of non-bonded energy.Our strategy invoked protocols relevant to non-bonded interactions within Discovery Studio 2.0 (DS2.0, Accelrys Inc.)bottom module using Perl script, and determined the direct command line operation of calculating non-bonded interaction energy batches without accessing the graphical interface of DS. This approach extended the DS2.0 module and was applied to a recent study of complex structure analysis.

Non-bonded energy; Protocol extension; Discovery Studio 2.0

Q5-3; Q811.4; TP399

A

0254-5853-(2011)03-0262-05

10.3724/SP.J.1141.2011.03262

2010-08-05；接受日期：2011-01-18

國家重點基礎研究發展計劃項目“973”(2009CB941302)；國家自然科學基金項目(30470939、30623007)；中國科學院基金項目(2007211311091)

?通訊作者(Corresponding author)，Tel: +86 871 5195183, E-mail: huangjf@mail.kiz.ac.cn