蛋白结构预测工具SWISS-MODEL和Phyre2

蛋白质是生命活动的基本单位，其结构决定了功能，对蛋白质结构的研究有助于对其功能的研究。而目前蛋白质结构数据库 PDB中所存储的蛋白质三维结构主要通过X射线晶体衍射和核磁共振成像技术得到，两种实验方法均成本不菲。近年来，随着计算机技术的快速进步极大促进了蛋白质结构预测的发展，目前蛋白质结构预测方法有三种，即同源建模法、折叠识别法和从头预测法。

（ 1 ）同源建模法：

同源建模法也称比较建模法，是基于知识的蛋白质结构预测方法。根据PDB数据库中的蛋白质结构比较分析研究得知，任何一对蛋白质，只要序列长度达到一定程度，序列相似性超过30%，就可以保证它们具有相似的三维结构。因此对于一个未知的结构的蛋白质，如果找到一个已知结构的同源蛋白质，就可以该蛋白质为模板，构建模型。

（ 2 ）折叠识别法：

折叠识别法也称反向折叠法、串线算法等。该方法基于很多没有序列相似性的蛋白质具有相似的折叠模式。因此可以开发序列结构比对的方法，通过目标蛋白质的氨基酸序列和已知折叠模式的逐一对比，根据特定的计分函数找出最有可能的未知序列折叠模式。

（3）从头预测法：

从头预测也称为理论计算预测，是指从蛋白质的一级结构出发，根据物理化学、量子化学、量子物理的基本原理，利用各种理论方法计算出蛋白质肽链所有可能构象的能量，然后从中找到能量最低的构象，作为蛋白质的天然构象，例如AlphaFold（链接）。这种方法不需要已知结构信息，能够预测产生全新结构。

科学出版社生物信息学（第二版）

SWISS-MODEL

SWISS-MODEL是一款用同源建模法预测蛋白质三级结构的全自动在线软件。 建立同源模型包括四个主要步骤:1、识别结构模板；2、比对目标序列和模板结构；3、建立模型；4、模型质量评价。以上每一步都可以交互重复，直到得到满意的建模结果。

SWISS-MODEL网址：

https://swissmodel.expasy.org/

SWISS-MODEL操作

1、打开SWISS-MODEL网站，点击Start Modelling

2、在红框中输入目标蛋白的氨基酸序列，创建标题，填写邮箱，创建模型

提交HBB蛋白序列：

>CAG38767.1 HBB [Homo sapiens]

MVHLTPEEKSAVTALWGKVNVDEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSTPDAVMGNPKVKAHGKKVLGAFSDGLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFGKEFTPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH

3、等待约5分钟后，获得结果

A、GMQE（全局模型质量估计）是一种结合目标-模板对齐方式和模板搜索方法的属性的质量估计。QSQE得分在0-1之间，QSQE值越高越好，而在建模过程中，如果QSQE值大于0.7，则可以认为是准确的，GMQE分数估计了结果模型的第三级结构的准确性。

B、QMEANDisCo global的得分也在0-1之间，没有明确的依赖值。

C、QMEANDisCo Local表示对于模型的每个氨基酸残基(x轴)，与本地结构(y轴)的相似性，得分低于0.6的残基被认为是低质量的。

D、QMEAN Z-Scores分析现已被弃用，应该参考GMQE和QMEANDisCo的评分来进行模型质量的估计。

4、如果出现多个预测结果，根据以上得分选择结果最好的模型

5、默认模型为cartoon，可使用鼠标转动模型

6、根据所需调整模型为surface（红色箭头），并保存图片（蓝色箭头）

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Cartoon backbone representation is one way to represent a 3D protein structure that puts emphasis on secondary structure. Showing all of the atoms in a protein structure can be confusing due to the complexity of the structure, so backbone representations, like the cartoon backbone representation, simplify the picture by showing only a trace that connects the alpha-carbons in the structure. The cartoon backbone representation depicts alpha-helices using flat helical sheets and beta-sheets via flat level sheets, many times with arrows to indicate the N->C direction of the helices or sheets.

The surface representation of a protein, in PyMol, shows the "Connolly surface" or the surface that would be traced out by the surfaces of waters in contact with the protein at all possible positions.

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Phyre2

Phyre2网站基于折叠识别法预测蛋白结构，由Lawrence Kelley博士（Structural Bioinformatics Group, Imperial College, London）设计和编写的。Phyre2通过hidden Markov models via HHsearch1（隐马尔科夫模型的一种）进行比对，显著提高比对精度和检测率。还加入了新的从头计算折叠模拟，以模拟与已知结构无同源性的蛋白质区域。

Phyre2网址：

http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index

Phyre2操作

1、打开Phyre2网站，在红框中输入目标蛋白的氨基酸序列，创建标题，填写邮箱，提交

2、等待约1小时后，获得结果（PDB文件发送至邮箱）

3、查看PSI-Blast多序列比对结果

4、使用PyMOL可视化

5、Phyre2的新消息

可能是由于Lawrence Kelley博士退休，目前Phyre2的部分功能不能使用。

SWISS-MODEL与Phyre2预测结果比较

在PyMOL软件中比对（align）SWISS-MODEL和Phyre2预测结果。

蓝色为SWISS-MODEL，绿色为Phyre2，相似性较高

另外，根据之前经验，有些蛋白在SWISS-MODEL中不能拿到很好的结果，但Phyre2可以。Phyre2的缺点是耗时过长。

撰写：叶明皓，宋红卫

校对：宋红卫

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