基于曲线匹配的蛋白质结构比对方法

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由于蛋白质结构与功能、进化研究的密切关系,蛋白质结构比对成为生物信息学领域一个基本而重要的问题。蛋白质结构比对方法的研究对丰富和发展蛋白质结构分析的理论基础,解释蛋白质结构与其功能、进化的内在蕴含,促进蛋白质结构预测、药物分子设计等有着重要的科学和现实意义。本文围绕蛋白质结构比对问题进行了研究,主要内容如下:(1)在广泛阅读国内外有关蛋白质结构比对文献基础之上,对已有结构比对方法进行总结。依据蛋白质结构表示形式对这些方法进行分类及归纳各自的适用性。(2)提出了一种新的蛋白质结构比对评价参数——PSA-score(ProteinStructure Alignment score)。此参数综合考虑了两个结构对齐部分的残基数量、均方根距离、相同残基数量、相同二级结构类型残基数量以及空位移动距离五个方面。通过实验验证,此参数可以有效地评价结构比对的质量。(3)提出了基于曲线匹配的蛋白质结构比对方法。该方法将曲率和挠率两个几何不变量作为特征描述对,将三维的结构曲线转化为一维的数值对字符串,从而简化了问题的难度。在分析曲线匹配问题中,提出了二值打分矩阵的概念。利用这个打分矩阵,提取两条结构曲线的最小连续匹配片段。在最小连续匹配片段意义下,将两个被比较蛋白质结构进行空间叠合,然后利用改进的动态规划算法来提取两叠合结构的对应残基。为优化结构比对的结果,引入了数值计算中常用的迭代优化机制。通过多组实验验证了本文方法的可行性和有效性。(4)设计与实现基于曲线匹配的蛋白质结构比对系统。该系统可以简单、方便地实现结构比对,对蛋白质结构研究具有重要的参考价值。
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