构建分子动力学模拟研究平台分析PGRN与TNFR的分子识别机理
本文选题:生物大分子相互作用 + PGRN与TNFR的结合模式 ; 参考:《山东大学》2012年硕士论文
【摘要】:研究机体中各种生物大分子的相互作用方式,是理解生命活动基本机制的基础,以调控生物学活性的受体为靶位的肽类或模拟肽类配基药物研发是生物学和医学中最领先的研究领域之一。分子动力学模拟作为一种重要的重要工具,可以模拟生物大分子体系的运动行为、构象改变机制以及研究分子及其配体、分子各组成部分之间的相互作用,解释和阐明生物大分子的序列信息以及微观尺度上复杂的、动态的生物过程,以传统实验数据为基础,在更深层次上解决相关的科学问题,弥补传统实验技术的不足,目前已广泛应用于蛋白质、核酸等生物大分子微观尺度的结构与功能研究之中。 生物大分子之间的识别/结合/催化等过程一般都是发生在微秒时间尺度甚至更长时间,而分子动力学模拟需要利用飞秒时间步长来模拟计算才可精确刻画分子运动过程,消耗的计算资源是普通个人计算机与工作站所无法提供的,必须利用大型集群的众多处理器进行并行计算,来实现几万原子至百万原子病毒体系的数亿步计算模拟任务,完成分析关键蛋白质分子的动力学行为,细胞膜表面配体受体间的结合过程及其机理以及病毒衣壳蛋白质体系的组装动力学过程等。然而,在这些实际应用首先要面临的一个问题就是如何合理的完成计算模拟任务在并行集群上的部署优化,构建完整的分子动力模拟研究平台,充分利用大型集群计算资源,高效地完成研究工作。 本文首先基于MOSIX2并行操作系统构建了计算能力为千亿次PC集群,利用NAMD软件进行了万原子体系皮秒时间尺度的分子动力学模拟部署测试;随后利用了山东大学(山东省)高性能计算中心的浪潮TS10000十万亿次集群,完成了万原子体系纳秒时间尺度的部署测试;最后在国家超级计算济南中心使用了神威4000A百万亿次集群以及“神威蓝光”千万亿次超级计算机,使用NAMD和GROMACS软件完成了万原子体系近微秒级以及百万原子纳秒级的超大规模的部署测试,并完成了同时利用近十万处理器核心的副本交换分子动力学模拟测试分析。从整个部署测试结果来看,普通小型集群适于做分子动力学模拟任务的 一些准备工作,如模型的构建、参数的优化等,而十万亿次集群上适合运行小体系的计算模拟以及大体系的计算模拟准备工作,对超大体系则必须要部署到百万亿次及千万亿次集群上,利用大规模的计算资源在可接受的时间范围内完成模拟任务。 分子动力学模拟所得数据是在分子中每一个原子在三维空间中随时间的运动轨迹,所以只有三维图像才能有效地表示这些大分子所包含的信息,而以往专业的可视化技术与设备都是极其昂贵的,所以本论文基于廉价的3D VISION图形解决方案,搭建了生物大分子3D显示与分析平台,用于分析自身免疫性疾病相关蛋白质分子识别的动态机理。 基于已有的实验发现,生长因子(PGRN)可以结合于肿瘤坏死因子受体(TNFR),从而抑制TNF-a介导的致炎效应,本论文通过动力学模拟确定了PGRN与TNFR2的结合模式与决定PGRN与TNFR2结合的关键氨基酸。通过构建PGRN虚拟突变体,计算模拟进一步证实PGRN结合TNFR2并发挥抗炎功能对这些氨基酸的依赖性和静电作用介导的PGRN/TNFR2结合模式。本研究深入探讨PGRN结合TNFR2根本原因,加深了对PGRN/TNFR2的分子识别过程的认识,同时也为进一步研究PGRN调控TNFR2信号途径的分子机制和Atsttrin等PGRN来源的新靶位药物设计提供结构学方面的参考与依据,促进以TNFR2为靶位、以PGRN为模板抗炎药物的临床应用转化,增强我国原创性重组蛋白药物的开发能力。
[Abstract]:The study of the interaction of various biological macromolecules in the body is the basis for understanding the basic mechanism of life activities. The research and development of peptides and analogue ligand drugs targeting the receptors of biological activities is one of the most leading research fields in biology and medicine. Molecular dynamic simulation as an important and important tool can be used as an important tool. In order to simulate the motion behavior of the biological macromolecular system, the mechanism of conformation change and the interaction between the molecules and their ligands and the components of the molecules, the sequence information of the biological macromolecules and the complex and dynamic biological processes on the micro scale are explained and explained on the basis of the traditional experimental data, and the correlation is solved on the deeper level. The scientific problems, which make up for the deficiency of traditional experimental technology, are now widely used in the study of the structure and function of the microscale of biological macromolecules, such as protein, nucleic acid and other biological macromolecules.
The process of recognition / binding / catalysis between biological macromolecules usually occurs at microsecond time scales or even longer, and molecular dynamics simulation needs to simulate calculation by using femtosecond time step length to accurately depict the molecular motion process. The computational resources consumed are not provided by ordinary human computers and workstations. Using a large number of processors in a large cluster to carry out parallel computing to achieve hundreds of millions of simulation tasks of the tens of thousands of atom to millions of atomic viruses, the dynamic behavior of the key protein molecules, the binding process between the ligand receptors on the cell membrane surface and its mechanism, and the assembly kinetics of the virus capsid protein system are completed. However, one of the first problems to be faced with in these practical applications is how to optimize the deployment of computational simulation tasks on a parallel cluster, build a complete platform for research on molecular dynamics simulation, make full use of the computing resources of large clusters, and efficiently complete the research work.
This paper first builds a computing power of hundreds of billions of PC clusters based on the MOSIX2 parallel operating system, and uses NAMD software to carry out the molecular dynamics simulation deployment test of the picosecond time scale of the ten thousand atomic system, and then uses the wave of the high performance computing center of the Shandong University (Shandong) to complete the ten million atomic system, which has completed the ten thousand atomic system. The deployment test of nanosecond time scale; finally, using the Shen Wei 4000A million billion times cluster and the "Shen Wei blue light" supercomputer in the National Supercomputing Ji'nan center, using NAMD and GROMACS software to complete the large scale deployment test of the near microsecond level of the ten thousand atom system and the million atom nanosecond level. At the same time, using the replica exchange molecular dynamics simulation test analysis at the core of nearly one hundred thousand processors, the general small cluster is suitable for the task of molecular dynamics simulation from the result of the whole deployment test.
Some preparations, such as the construction of the model, the optimization of the parameters, and the computing simulation for running small systems in the one hundred thousand billion cluster and the computing simulation preparation for the large system, must be deployed to the million and the millions of billions of clusters on the super large system, and the computing resources of the large rules can be completed within the acceptable time range. Simulation task.
The data obtained by molecular dynamics simulation are the trajectories of each atom in the three-dimensional space with time, so only three dimensional images can effectively express the information contained by these large molecules, and the previous professional visualization technology and equipment are extremely expensive, so this paper is based on the cheap 3D VISION graphical solution. A 3D display and analysis platform for biological macromolecules has been set up to analyze the dynamic mechanism of molecular recognition of proteins related to autoimmune diseases.
Based on the previous experiments, the growth factor (PGRN) can bind to the tumor necrosis factor receptor (TNFR) and inhibit the inflammatory effect mediated by TNF-a. In this paper, the binding mode of PGRN and TNFR2 and the key amino acids that determine the binding of PGRN to TNFR2 are determined by dynamic simulation. The simulation is further proved by the construction of a PGRN virtual mutant. Real PGRN combined with TNFR2 and exerts the PGRN/TNFR2 binding mode mediated by anti-inflammatory function to these amino acids and electrostatic action. This study deepened the understanding of the fundamental cause of PGRN binding to TNFR2, deepened the understanding of the molecular recognition process of PGRN/TNFR2, and further studied the molecular mechanism and Atsttrin of the PGRN regulation of TNFR2 signal pathways. The new target drug design, such as PGRN, provides the reference and basis for structural studies, and promotes the transformation of TNFR2 as the target, the clinical application of PGRN as a template anti-inflammatory drug, and the enhancement of the development ability of the original recombinant protein in our country.
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:R373
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 徐海英,赵志刚,刘楣;磁通运动的电压噪声频谱分析和动力学相变[J];物理学报;2005年06期
2 段毅,吴保祥,郑朝阳,王传远,张辉,陶明新,刘金钟,张小军;山西沁水盆地煤生烃动力学研究[J];科学通报;2005年13期
3 闫法堂;吕嵘;;准噶尔盆地南缘前陆盆地中—新生代沉降埋藏史模拟[J];内蒙古石油化工;2006年06期
4 梁逸曾,卓尚炯,董有方,夏萌;日本血吸虫病的传播动力学模型(Ⅲ)——流行模式的转化规律及计算机数值模拟[J];湖南大学学报(自然科学版);1992年04期
5 熊永强,耿安松,刘金钟;煤成甲烷碳同位素分馏的动力学模拟[J];地球化学;2004年06期
6 代荣阳,周志远,李洪;细胞信号转导的复杂性及其动力学模拟研究[J];泸州医学院学报;2005年03期
7 张怀德;刘志华;;固-液流体介质的热传导性能研究[J];中国科技信息;2008年01期
8 曹赞霞;王吉华;;比较不同分子力场对H1小肽结构特征的描述[J];生物物理学报;2009年S1期
9 张海祖;耿安松;熊永强;王铜山;刘金钟;;天然气生成动力学模拟及其地质应用[J];天然气工业;2006年02期
10 周在明;李忠勤;李慧林;井哲帆;;天山乌鲁木齐河源区1号冰川运动速度特征及其动力学模拟[J];冰川冻土;2009年01期
相关会议论文 前10条
1 杨蓉;;磷灰石裂变径迹多元动力学模拟[A];第十届全国固体核径迹学术会议论文集[C];2009年
2 吴季辉;施蕴渝;徐英武;王绮文;沈伟;;二维核磁共振波谱测定~(13)C自旋一晶格弛豫时间与随机动力学模拟结合研究短杆菌肽S的内部运动[A];第八届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];1994年
3 朱霄;李浩然;王勇;张蕾;;季铵型离子液体与水混合溶液的分子动力学模拟及核磁共振研究[A];第九届全国计算(机)化学学术会议论文摘要集[C];2007年
4 殷亚星;冯文玲;孙龙;金国莲;解菊;;2-羟丙基-β-环糊精(2-HPCD)包合五种药物小分子的动力学模拟[A];中国化学会第27届学术年会第16分会场摘要集[C];2010年
5 李新;黄以能;邱齐;丁勇;刘建设;王业宁;窦敖川;;普适弛豫理论的动力学模拟[A];内耗与超声衰减——第五届全国固体内耗与超声衰减学术会议论文集[C];1997年
6 雷依波;袁帅;豆育升;王育彬;文振翼;;腺嘌呤去活化过程的直接动力学模拟[A];中国化学会第26届学术年会理论化学方法和应用分会场论文集[C];2008年
7 郭洪霞;;计算机模拟研究高分子多组分共混体系的界面行为[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
8 马海波;;导电高分子中电荷载流子链内输运过程的非绝热动力学模拟[A];中国化学会第27届学术年会第14分会场摘要集[C];2010年
9 耿鲁明;石耀霖;张国民;;地震活动的非线性动力学模拟[A];1991年中国地球物理学会第七届学术年会论文集[C];1991年
10 李慎敏;;利用伞形抽样技术的量子-经典混合法动力学模拟[A];中国化学会第九届全国量子化学学术会议暨庆祝徐光宪教授从教六十年论文摘要集[C];2005年
相关重要报纸文章 前10条
1 司徒瑜 于莘明;我国入地计划先锋项目获突出进展[N];科技日报;2010年
2 记者 张丽华;中国地质科学院举办汶川地震专题报告会[N];中国矿业报;2009年
3 本报记者 陈磊;让“他”替你吃药挨刀[N];科技日报;2005年
4 盛晓明 姚海飞;颚式破碎机三维模型系统通过鉴定[N];中国有色金属报;2006年
5 刘莉 赵雪;药物分子设计成为药物研究核心技术[N];科技日报;2004年
6 徐庭栋 李庆芬 杨尚林;我国应加快开发钢材强韧化创新技术[N];世界金属导报;2001年
7 黄海 牛聪 金忠勤;视觉基地中的刀片服务器应用[N];网络世界;2007年
8 吉林 刘春鹏;巧学3D爆炸场景制作[N];电脑报;2005年
9 张孟军;我们的运算速度应最快[N];科技日报;2004年
10 深圳电大 楼剑;你所不知道的 超级计算机[N];中国电脑教育报;2004年
相关博士学位论文 前10条
1 张海祖;热成因天然气生成动力学模拟及其地质应用[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2005年
2 杨明莉;煤层甲烷变压吸附浓缩的研究[D];重庆大学;2004年
3 袁丽梅;多点进水厌氧—多级缺氧/好氧—膜组合工艺处理生活污水的试验研究[D];东华大学;2007年
4 唐冰;反应跟随性人体动画生成研究[D];浙江大学;2006年
5 郑斌;DNA电子结构与极化子传输的紧束缚方法研究[D];山东大学;2006年
6 甘华军;珠江口盆地西部文昌A凹陷油气运聚历史与成藏规律[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2007年
7 郭续更;几类核酸碱基相关体系激发态动力学的理论研究[D];厦门大学;2014年
8 曹玉春;流化床垃圾焚烧炉内流动和燃烧污染物生成数值模拟研究[D];浙江大学;2005年
9 王波;含氯废液高温氧化特性研究[D];浙江大学;2009年
10 齐维开;二维胶体的相变及声子研究[D];兰州大学;2011年
相关硕士学位论文 前10条
1 毕超;基于光学介质的PT对称量子动力学模拟[D];西北大学;2014年
2 张凤东;柱塞气举动力学模拟研究[D];西南石油学院;2005年
3 丁桂林;基于DSP的机械负载动力学模拟研究[D];北京交通大学;2009年
4 许秀芳;大气层中臭氧与烯烃氧化反应的机理及动力学模拟[D];山东师范大学;2000年
5 丁寿滨;基于VPT的挖掘机与环境相互作用的研究[D];中国海洋大学;2005年
6 曹文杰;三维环境下的角色动作规划[D];电子科技大学;2007年
7 向上升;气压盘式制动器物理建模与仿真分析[D];武汉理工大学;2007年
8 金磊;生物芯片DNA杂交动力学的模拟[D];南京理工大学;2007年
9 吴可柱;HIV-1整合酶全酶结构模拟及其抑制剂筛选[D];河北医科大学;2009年
10 王亚飞;天然气高级再燃脱硝机理的实验研究和化学动力学模拟[D];上海交通大学;2008年
,本文编号:1833584
本文链接:https://www.wllwen.com/xiyixuelunwen/1833584.html