基于蛋白质动态结构演化分析的变构路径发现算法研究

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蛋白质是生物体内最重要的大分子之一,生物体中大部分生命活动表征归根结底都可以利用不同功能的蛋白质在生物体内的活性调节进行解释。蛋白质中变构路径的发现对于新药的研发具有重要意义。然而由于变构路径相关数据缺乏系统的数据库存储,目前只能通过人工筛选的方式进行研究,进一步增大了变构路径的研究难度。传统的基于动态信息网络计算变构路径的方法主要是通过计算蛋白质中氨基酸残基之间的运动相关性来构建相关性网络从而进行变构路径计算的,这种方法对于动态信息的处理方式较为简单,且并未考虑到蛋白质体系自身所具有的生物学特征,导致计算结果准确率较低、可解释性较差。基于上述算法开发的蛋白质变构网络分析工具普遍存在输入准备工作复杂、可视化分析不足以及交互体验差等问题。针对上述问题,本文进行了系统的研究与探索,主要贡献包括:(1)提出了基于区域划分的蛋白质变构路径算法,对蛋白质动态信息数据进行分析归纳,提出了蛋白质变构网络序列图的概念,利用基于局部中心点的区域划分技术对蛋白质进行合理区域划分,基于变构网络序列图分析蛋白质变构网络变化区域并进行动态更新,有效利用蛋白质动态信息进行了变构路径的计算。实验结果表明,该算法具有较好的时间性能和可伸缩性,并且计算准确率有较大的提升。(2)提出了基于蛋白质结构信息的变构路径算法,在基于区域划分的蛋白质变构路径算法的基础上,综合考虑了蛋白质的二级结构信息,以解决蛋白质动态网络损失生物信息过多的问题,并提出了区域划分优先级接口,以使用户可以添加多层次的蛋白质信息,最终基于变构网络序列图对蛋白质变构网络的变化区域进行动态更新,以实现变构路径的计算。实验结果表明,该算法具有较好的时间性能和可伸缩性,且在计算准确率上有了进一步的提升。(3)设计与开发了新的蛋白质变构网络分析平台,不仅结合了信息网络中的节点重要性指标进行分析,并且借鉴了目前已有开发工具中的部分设计思路,围绕蛋白质变构网络的构建与网络性质的分析两部分进行了设计与实现,试图解决目前分析工具中存在的输入准备工作复杂、可视化分析不足以及交互体验差等问题。通过进行实验模拟,最终证明所设计出来的变构网络分析平台具有较好的稳定性以及更丰富的功能模块。
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