[发明专利]基于进化耦合分析的电压-门控钠离子通道结构模建方法

说明书

本发明涉及一种基于进化耦合分析的电压‑门控钠离子通道结构模建方法,属于结构生物学领域。首先通过rosetta的膜蛋白同源模建方法，以真核钠离子通道Na_vPaS(PDBid：5X0M)三级结构为模板，初步构建组成Na_v1.5孔道结构域的四个亚基结构；然后通过进化耦合分析的方法(DCA)，评估结构中实际和DCA预测所得的相互作用残基对之间的重合度；结合打分函数，挑选得分和重合度都比较高的结构作为各个结构域的初始结构；然后将挑选出的四个亚基结构组装并进行优化；从优化后的结构中进一步选取界面处重合度和RosettaMP得分都比较高的，以满足评估条件的结构作为最终结构。本发明克服了传统的结构模建方法没有充分考虑跨膜区域信息及模板同源性低、预测准确性差的缺点，可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种基于进化耦合分析的电压-门控钠离子通道结构模建方法，属于结构生物学领域,尤其涉及以真核电压-门控钠离子通道Na_v1.5孔道结构域关闭态为目标的结构模建方法。

背景技术

Na_v通道是神经元启动和传播动作电位的根源，通过其快速的开放和关闭改变膜电位。Na_v通道具有三种不同的功能状态，其中其孔道结构域(Pore domain)的开合控制着离子的选择性通过。同时，该结构域也是很多局部麻醉剂类抗心律失常药物的重要结合区域。许多局部麻醉剂类抗心律失常药物被认为是Na_v通道的抑制剂，其抑制作用往往被快速、重复的刺激或长时间的去极化所加强。这表明药物的结合是具有电压依赖性的。理解“关闭态”药物与Na_v1.5的作用模式，对于治疗因外向钠离子异常引起的心率失常具有重要意义。但是目前由于实验手段的限制和电压-门控钠离子通道的自身特点，目前真核钠离子通道只有来源于美洲大蠊的Na_vPaS，其具有关闭的通道且处于静息态，分辨率仅为Na_v1.5原子水平三级结构的缺失，导致其结构和机理研究明显滞后，通过分子模建的方法预测结构是目前解决这个问题的一条理想途径。

在过去的50多年里，随着实验设备和技术的不断发展创新，越来越多的蛋白质结构被解析出来，但是仍然无法与蛋白质序列数目的爆炸式增长相企及。如果蛋白质结构预测的方法足够准确，那么通过计算的方法来获得结构将是弥补这一差距的有效途径。通过计算的方法已经获得了很多精确地、具有重要意义的三维结构模型。这些方法都是基于与目标蛋白序列相似的已知结构作为模板，通常被称为“基于模板”的或者“同源”模建。比较常用的软件如SWISS-MODEL，MODELLER等。然而不基于模板结构，“从头预测”(de novo)方法准确率却差强人意。基于全球范围内的蛋白质结构预测比赛CASP的盲评结果，很多高水平的从头预测方法，比如Rosetta都是在三维结构数据库中搜索相似的结构片段，然后利用经验力场进行片段拼接。这些方法在序列长度小于90的蛋白质结构预测中表现比较好，然而随着序列长度的增加构象搜索空间呈指数增长，这对于计算来说是个极大的挑战。从这个意义上来说，从头预测三维结构的一般问题仍未解决。蛋白质序列相关突变模式中进化信息的识别，使得蛋白质结构预测向前迈进了一大步。DNA测序技术辅以先进的统计分析为解开这种进化信息的提供了钥匙。利用进化耦合分析的方法不仅能够通过蛋白质序列预测相互作用的残基对，而且在预测蛋白质结构方面也取得了高精度的可信结果。这种残基对间共变化(进化耦合)的信息，对于蛋白质功能位点、蛋白相互作用以及构象变化同样发挥着重要的作用。

通过发展适用于电压-门控钠离子通道的结构模建方法，构建Na_v1.5关闭态的孔道域结构，将突破Na_v1.5与“关闭态”药物作用机制研究尚未有原子水平三级结构的局限性，为新药研发提供基础。

发明内容

本发明要解决的在于弥补现有技术存在的不足，建立一种快速、可靠、应用广泛的电压-门控钠离子通道的结构模建方法，适用于对电压-门控钠离子通道Na_v1.5孔道域关闭态结构与关闭态药物的作用机制研究，为新药研发提供理论基础。

本发明的设计思路如下：