動物疫病防控研究所團(tuán)隊在多肽藥物人工智能設(shè)計方面取得重要成果

近日,河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物疫病防控研究所藥物設(shè)計團(tuán)隊先后在International Journal of Molecular Sciences、Molecular informaticsVirusJCR一區(qū)雜志發(fā)表了基于人工智能算法的多肽-蛋白親和力預(yù)測模型及其優(yōu)化的系列研究;團(tuán)隊以豬流行性腹瀉病毒S蛋白為靶點,在體外實驗中驗證了所設(shè)計多肽的高效性和顯著抗病毒效果,為后續(xù)豬腹瀉的臨床治療奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

-蛋白相互作用是許多生物過程的關(guān)鍵,如信號傳導(dǎo)、免疫應(yīng)答、酶催化等,研究肽的親和力和特異性對于開發(fā)新的肽類生物藥物和預(yù)防策略具有重要意義。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展和計算機性能的提高,虛擬對接方法成為一種分析肽-蛋白相互作用的常用的方法,但是這些方法主要依賴于對肽和蛋白之間的各種相互作用力進(jìn)行計算進(jìn)而對親和力進(jìn)行評估,由于目前尚未有成熟的對多肽和蛋白質(zhì)之間的實際親和力評估的工具,因此并不能準(zhǔn)確反映肽的真實親和力。


本研究團(tuán)隊以虛擬對接數(shù)據(jù)與多肽-蛋白質(zhì)的實際親和力數(shù)據(jù)相結(jié)合,利用6種流行的人工智能算法進(jìn)行建模分類,通過特征篩選得到?jīng)Q定模型分類性能的四種重要特征(INTRA.VDW0, INTRA.DIHEDRAL0, HEAVY, INTER.ROT),構(gòu)建了三個基于不同重要特征的隨機森林模型,并證明了模型的有效性和可靠性。同時,本研究團(tuán)隊進(jìn)一步比較了基于樹的四種不同算法,包括分類和回歸樹(CART)、C5.0決策樹(C50)、裝袋CART (BAG)和隨機森林 (RF)。結(jié)果表明,C50模型在未知數(shù)據(jù)集上具有最高的準(zhǔn)確性(80.4%),并且與其他模型的預(yù)測結(jié)果具有高度相關(guān)性,表明其具有潛在的穩(wěn)定性和魯棒性。


由于豬流行性腹瀉病毒(PEDV)的快速變異,現(xiàn)有疫苗無法為豬提供足夠的免疫保護(hù)。本研究團(tuán)隊利用多肽篩選模型,快速篩選出能特異性識別 PEDV S1 C-端結(jié)構(gòu)域(CTD)蛋白的親和肽。結(jié)果表明,多肽110766 P/N 值達(dá)到167,親和力常數(shù)達(dá)216nM。絕對定量 PCR 的結(jié)果顯示,不同濃度(3.125 μM、6.25 μM12.5 μM、25 μM、50 μM)與病毒組相比,多肽110766能顯著降低 PEDV的病毒載量(p < 0.0001)。Western 印跡和間接免疫熒光的結(jié)果均證明了多肽110766 的抗病毒效果仍然顯著。

該團(tuán)隊在生物識別材料(多肽、納米抗體)和多肽功能預(yù)測領(lǐng)域已建立一系列人工智能模型,實現(xiàn)了這些材料的完全虛擬篩選,為后續(xù)的應(yīng)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。該 團(tuán)隊的《靶向高親和力肽配基理性設(shè)計及其應(yīng)用》成果已獲2019年度河南省技術(shù)發(fā)明二等獎,多肽授權(quán)發(fā)明專利27項,近三年發(fā)表SCI論文17篇,影響因子合計超過110。