化學生物學教學中引入PDBsum蛋白數據庫的探索*

趙仲麟，劉小花，白海鑫，頓文濤，袁 超

(河南農業大學，河南 鄭州 450002)

化學生物學是化學與生物科學融合產生的新興學科，其發展可以更好地解決人類疾病和健康等熱點問題。當前，國家將生命科技的發展列為重點研究計劃，這不僅是基礎科學發展的需要，也是我國占領世界科研陣地所必須加強的方向。面對科技飛速發展的今天，廣大高校教師在本科和研究生教學中面對著新的挑戰，需要使用新的技術方法，特別是利用信息技術、大數據資源整合等方式將課堂內容更好地展現給學生，而不是一味重復書本上老舊的知識內容。

化學生物學教學內容中涉及大量的化合物及其對蛋白質結構和功能的影響[1]，ChemBank[2]和DrugBank[3]等數據庫都是很好的小分子數據庫資源，但是對應的，教師還要向學生介紹這些小分子對蛋白質的作用，就需要對蛋白質的3D結構進行分析。河南農業大學探索在化學生物學課程中引入蛋白質數據庫PDBsum，對蛋白質3D結構進行分析，將這部分信息化數據資源在教學中展示給學生，增強其動手能力。

1 PDBsum蛋白質結構數據庫簡介

PDBsum（http://www.ebi.ac.uk/pdbsum）是一個提供蛋白質三維結構的圖形數據庫，其中包括大量蛋白質結構數據[4]。該網站主要描繪的是蛋白質、DNA和配體的結構特征，以及它們之間的相互作用。在教學中向學生介紹該網站的最新功能，包括對人類蛋白質序列及其天然氨基酸變體的注釋、顯示相關蛋白質結構域結構之間關系的動態圖、不同實驗測定同一蛋白質的配體結合分析、蛋白質隧道分析和新的搜索選項等內容。如新冠病毒的一些蛋白質結構在網站中都可以查詢到（如圖1所示）。

2 PDBsum實施案例

2.1 數據檢索

首先，學生需要定義目標蛋白質，然后從PDBsum中輸入目標蛋白質的信息，這些信息可以是蛋白質的PDB code，也可以是蛋白質的名稱、功能、序列等相關信息，如圖1A所示。點擊search后出現蛋白質信息列表，從中學生可以選擇自己所檢索的蛋白質。選擇對應的ID后，網頁會展現出目標蛋白的具體信息，如圖1B所示，包括蛋白質的ID、名稱、來源、發現者、日期、參考文獻以及蛋白質結構的詳細參數。其中，還包括蛋白結構域的相關信息，如圖1C所示，同時PDBsum還提供其他蛋白分析網站的鏈接，如圖1D所示。

圖1 PDBsum檢索流程Fig.1 PDBsum retrieval process

網站還可以顯示目標蛋白質的3D結構，可以進行旋轉，觀察蛋白質各個角度的結構，如側面圖和俯視圖，如圖2 A、2 B所示，以及顯示蛋白質結構的立體化學性質PROCHECK檢查結果，如圖2C所示。此外，PDBsum主頁還增加了三個新的搜索類型，包括UniProt登錄號、Pfam域名和Ensembl基因或轉錄識別器的搜索。在每種情況下，結果提供了與搜索項相匹配的結構列表，以及與UniProt序列相比每個結構具有的結構覆蓋率。

圖2 蛋白結構相關信息Fig.2 Protein structure related information

2.2 蛋白域結構網絡

蛋白質可以用序列或結構域來描述，相同的結構域在不同的蛋白質中以不同的組合出現。PDBsum使用Pfam的序列域定義和結構CATH定義的域。每個PDBsum條目顯示了一個小示意圖，描述了每個蛋白質的Pfam和CATH域，還顯示了PDB條目提供的“結構覆蓋率”，即多少蛋白質在三維結構中存在。因此，一眼就能看出一個給定的條目是整個蛋白質還僅僅是其中一個域。每個Pfam域都能超鏈接到包含該域的所有其他PDB條目的列表。

2.3 蛋白隧道功能

PDBsum中另一項新的分析功能是，可以顯示給定蛋白質結構中所有的“隧道”，它們是穿透蛋白質內部的開口。可以分析整個結構，并通過每個PDBsum條目頂部的Tunnels選項卡進行訪問。以病毒蛋白6vyo為例，如圖2D所示，首先計算蛋白質原子中心的Voronoi圖，然后識別所有空腔，并將其起點和終點鏈接起來。動畫GIF可以旋轉表示隧道位置，并提供了MOLEonline 2.0網站的鏈接，以獲得用戶給定隧道更詳細的搜索內容。

2.4 Drugprot分析

PDB包含許多對基于結構的藥物設計，這些結構是可能作為藥物靶點的蛋白質，它們中可能含有與蛋白質結合的已知藥物分子DNA。在最好的情況下，它們顯示出一種藥物與目標相聯系。PDBsum中的一個分支被稱為drugport，主要用于分析蛋白質數據庫PDB中的藥物分子和靶點(http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/drugport/）。有關藥物和藥物靶點的信息來自DrugBank數據庫。PDB中的藥物分子是通過將DrugBank中的SMILES字符串與wwPDB的化學成分詞典綜合中來識別，藥物靶點通過其UniProt識別器進行識別。

3 結語

PDBsum是一個提供蛋白質數據庫條目結構信息的網絡服務器。提供的分析主要基于圖像，包括蛋白質二級結構、蛋白質配體以及蛋白質DNA相互作用和結構質量的PROCHECK分析等。三維結構可以在RasMol、PyMOL和一個名為3dmol.js的JavaScript查看器中進行交互查看。教師在化學生物學課程中引入PDBsum操作實例，學生可以上傳自己的PDB文件，并為每個文件獲得一組密碼保護的PDBsum分析。通過引入PDBsum數據庫內容到化學生物學教學中，通過實例讓學生直觀地進行了蛋白質3D結構的檢索和分析過程，親自動手對感興趣的蛋白質進行分析，這對開拓學生眼界、擴展知識面非常有益，取得了良好的教學效果。