PyRosetta-FoldTree

ZeroDesigner2019-09-29

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如果你打开一个 PDB 文件，你会看到（x,y,z）来表示蛋白的 3D 坐标，当你移动蛋白时，你会修改单个原子的三个坐标，即为每个原子都有（x,y,z）三个自由度，对于大量原子计算来说，3 个自由度的计算量太过庞大。为了使计算简单，rosetta 使用分子内坐标进行替代，即使用一个原子的相邻原子之间的角度，键以及扭转，来进行定义。

内坐标此时同样也具有三个自由度：键，角度，扭转（ bond, angle, and torsions）。但这三个自由度并不是同等重要的。对大多数蛋白模拟来说，在键和角度之间这里有非常小的改变，我们可以将这两个固定来进行考虑。对于蛋白来说，发生的移动大多数发生在扭转角的变化，因此，我们将每个原子的三个自由度缩减到一个自由度。除此之外，对于某些原子（例如氢原子），他们的扭转角自由度是被周围的化学环境固定的。对这些原子来说，自由度可以从 3 到 0.

如果你在一系列的残基中改变了某个扭转角，会发生什么？

如上图所示，你改变了青色氨基酸的一个扭转角，在其右侧的所有的原子将会移动。换句话说，尽管原子相互之间是被固定的，但右侧原子仍然一起移动以适应青色氨基酸扭转角的额改变。

下面展示另外一个例子：

你可以看到在蛋白质的 N 端部位的扭转角的小小的改变，将会导致蛋白质其余部位的巨大变化，这就是所谓的杠杆效应（the lever arm effect）。

我们如何去避免这种变化

使用 FoldTree

在这里我们将会看到如何使用 FoldTree 去控制蛋白的部分移动，但原子之间的相互关系仍然不会变化。FoldTree 告诉 rosetta 在给定的结构中的残基之间的相互的关联性。他确定了在上游的残基（或称为父类），以及在下游的残基（或称为子类）。一些例子将会使这个概念清晰。

在本例中，您将使用冠状病毒的核壳部分的 N 端的结构。

查看此蛋白的 FoldTree

FOLD_TREE EDGE 1 133 - 1

这个读法应该是边缘是从 1 - 133，这是一个聚合边缘

你从 A 链的 1 位残基开始一直到最后的残基 133 位。即任何的上游残基（N 段残基）的移动将会导致下游残基（C 端残基）的移动。这条链是一条未被破环的连续残基（中间没有 miss），通过共价键以线性方式相连。Rosetta

就将这样的聚合成为 EDGE - 1，这个意味着在这个 EDGE 中的链接均是共价键的形式。

如果你使你的蛋白的 1 - 20 位的残基弛豫，而不改变剩余的结构的骨架，看看什么发生。

将改变后的文件与原始的文件相互对比。您可以看到，与原始结构相比，N 端部位已经大幅移动。如果我们只对齐 N 端部分，您可以看到蛋白质的其余部分已经大幅度移动以适应小的 20 残基 N 端的变化。

> * 原始的结构为灰色而蓝色结构为改变后的结构。

如果我们将上下游的位置互变，会发生什么。

下面是输出结构与原始蛋白。你可以看到蛋白的移动的幅度变小了。这是因为 C 端是发生改变的上游部位，所以下游的 N 端部位的移动并不会造成上游部位改变。

原始结构是灰色，青色的部位为改变的结构

所以，如果你有一个很灵活的 N 末端，改变 foldtree 将会是一个不错的选择。

具有多个链和跳跃的复合物

在这个例子中，我们将会运行一个虚拟的泛素二聚体。

首先看下，在弛豫之后会发生什么。使用 rosetta 的默认的 foldtree。

FOLD_TREE EDGE 1 76 - 1 EDGE 76 77 1 EDGE 77 152 - 1

蛋白边缘：1 - 76，77 - 152

Jump 边缘：76 - 77

我们有三个 EDGE，第一个，氨基酸残基从 1 - 76，共价线性链接（chainA）。第三个，氨基酸残基从 77 - 152，共价线性链接（chainB）。

注意：

第二个 EDGE，从 A 链的 76 到 B 链的 77，这并不是一个共价链接。这并不是一个共价连接，但是，因为 Rosetta 使用内坐标（扭转角），并不是一个 3D 坐标，在这个结构中的所有部位都必须相互链接。如果并没有共价连接，那么我们创造一个赝连接，这个赝连接就叫做 Jump。一个 Jump 的边缘是他的自己。在 Foldtree 中，jumps 以正整数形式显示，第一个 Jump 得到数字 1，每个 Jump 的数字都会增加。

首先，我们来对默认的 foldtree 进行弛豫。

在输出文件中，我们可以看到第二条链与他的原始位置相比较移动了很多。这是另外一个杠杆效应的例子。