UniDesign是基于命令行的蛋白结构建模和蛋白设计程序。

UniDesign

Definition

UniDesign是基于命令行的蛋白结构建模和蛋白设计程序。
github 仓库链接

Features:

de novo protein sequence design and protein sequence redesign (ProteinDesign) can be used to design monomer proteins, protein-protein interactions, protein-ligand interactions, protein-nucleic acid interactions, and enzymes

protein side-chain packing (ProteinDesign in conjuncion with the option --wildtype_only)

calculate protein fold stability score (ComputeStability)

calculate protein-protein binding energy score (ComputeBinding)

repair missing protein side chains (RepairStructure)

protein structure energy minimization (Minimize)

build mutant strucure models (BuildMutant)

add polar hydrogen atoms (AddPolarHydrogen)

optimize hydrogen’s position to maximize hydrogen bonding networks (OptimizeHydrogen)

Installation(windows)

从此链接UniDesign下载代码解压即可。
使用说明见doc/UniDesign_manual.pdf
如果电脑里面库齐全的话,在目标文件夹下使用命令行键入UniDesign.exe -h，即可看到是否成功。
一般来说很大可能是无法使用的，并提示缺少某些依赖。一个简单方法是安装g++编译器，然后双击build.sh重新编译即可使用。

步骤：

sourceforge下载MinGw [下载链接 MinGW-w64 - for 32 and 64 bit Windows from SourceForge.net](https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/files/Toolchains targetting Win64/Personal Builds/mingw-builds/8.1.0/threads-win32/seh/x86_64-8.1.0-release-win32-seh-rt_v6-rev0.7z/download)

解压该文件，并将bin目录添加到系统环境变量

双击UniDesign文件夹下的build.sh

运行成功之后，./UniDesign.exe -h查看是否可以运行。

Usage

查看可用命令

1	./UniDesign.exe -h

设计单体蛋白

1	./UniDesign --command=ProteinDesign --monomer --pdb=PDBID.pdb --design_chains=A --resfile=RESFILE.txt --ntraj=10

对于单体设计，
--monomer和--design_chains可以被忽略
--ntraj指定生成多少个蛋白轨迹
RESFILE.txt指定用于设计、修正、修补的氨基酸位置
PDBID.pdb指定pdb文件名并作为输出文件的前缀

设计蛋白-蛋白相互作用

1
2
3

./UniDesign --command=ProteinDesign --ppint --pdb=proteinID_AB.pdb --design_chains=A --resfile=RESFILE.txt --ntraj=10
Or:
./UniDesign --command=ProteinDesign --ppint --pdb=proteinID_ABC.pdb --design_chains=AB --resfile=RESFILE .txt --ntraj=10

第一个命令为二聚体AB设计A链。
第二个命令为三聚体ABC设计AB链。

设计蛋白-配体相互作用

对于蛋白-配体相互作用设计，原子参数和残基拓扑必须预先生成。
使用如下命令生成这两个文件：

1	./UniDesign --command=GenLigParamAndTopo --mol2=ligand.mol2 ---lig_atomparam=ligand_atomparam.prm --lig_topology=ligand_topology.inp

ligand.mol2文件包括配体的所有原子，包括氢原子。
请确保原子电荷被恰当的出现在@<TRIPOS> ATOM部分的最后一列。

1	./UniDesign --command=ProteinDesign --protlig --pdb=proteinID.pdb --mol2=ligand.mol2 --read_lig_ensemble=LIGAND_CONFORMERS.pdb --resfile=RESFILE.txt --ntraj=10

LIGAND_CONFORMERS.pdb 存储的配体构象能够使用对接软件(如：Autodock)生成，此文件中配体氢可以被忽略。
在LIGAND_CONFORMERS.pdb 文件中，每个配体构象出现在MODEL和ENDMDL之间

MODEL 1
[The atomic coordinates of model1 here]
ENDMDL
MODEL 2
[The atomic coordinates of model2 here]
ENDMDL
….
MODEL 10
[The atomic coordinates of model10 here]
ENDMDL

设计酶

1	./UniDesign --command=ProteinDesign --enzyme --pdb=enzyme.pdb --mol2=ligand.mol2 --read_lig_ensemble=LIGAND_CONFORMERS.pdb --resfile=RESFILE.txt --cata_cons=CATALYTIC_CONSTRAINTS.txt ---ntraj=10

UniDesign使用内部配体摆放程序生成LIGAND_CONFORMERS.pdb 中的配体过渡态。值得注意的是，用于酶设计的配体构象经常是过渡态或者接近攻击构象。

蛋白侧链pack

1	./UniDesign --command=ProteinDesign --pdb=PDBID.pdb --wildtype_only

修复侧链

1	./UniDesign --command=RepairStructure --pdb=PDBID.pdb

UniDesign 只会修复并优化缺失非氢原子的氨基酸侧链，但此过程并不会优化其他氨基酸。

蛋白结构能量最小化

1	./UniDesign --command=Minimize --pdb=PDBID.pdb

UniDesign 使用固定骨架最小化来减小或者消除空间碰撞。可以先RepairStructure再Minimize蛋白结构

构建突变结构模型

1	./UniDesign --command=BuildMutant --pdb=PDBID.pdb --mutant_file=individual_list.txt

突变位点信息在individual_list.txt中。
格式为WT_residue Chain_ID residue_position_in_chain mutant_residue

# 突变位点信息
QA22D;  # Chain A Glu22 突变为 ASP
HA18F,QA22D; # 双突变 Chain A His18 突变为Phe；GLu22 突变为Asp
HA18F,MB20A;

一行代表一个突变，每行以分号结束。
如果一个突变集包含多个突变，以逗号分隔。

添加极性氢

1	./UniDesign --command=AddPolarHydrogen --pdb=PDBID.pdb --show_hydrogen

--show_hydrogen 将氢原子写入到文件中

优化氢原子位置来最大化氢键网络

1	./UniDesign --command=OptimizeHydrogen --pdb=PDBID.pdb --show_hydrogen

计算蛋白折叠稳定性分数

1	./UniDesign --command=ComputeStability --pdb=PDBID.pdb

计算单一蛋白的稳定分数是无用的。
不能直接比较两个蛋白之间的稳定性分数。
计算同一蛋白不同突变的$ddG_{stability}$是有意义的
例：使用BuildMutant模块突变野生型蛋白，并分别计算它们的稳定性分数。他们的差值即视为$ddG_{stability}$。该值越负，突变的稳定性越高

计算蛋白蛋白结合自由能

./UniDesign --command=ComputeBinding --pdb=AB.pdb
如果蛋白拥有两条以上的链，需要进行链分离来计算两部分的结合能:

1	./UniDesign --command=ComputeBinding --pdb=ABC.pdb --split_chains=AB,C

UniDesign 将会计算AB和C之间的结合自由能。如果被链分离，就会分别计算A和B，A和C，B和C的结合自由能

Resfile

当不想整体设计蛋白，只想设计局部时，可以使用Resfile来指定想要设计和固定的残基。
在UniDesign的程序逻辑中，残基可被分为四种：designable；repacked；fixed；catalytic。前三种可以应用到任何蛋白设计任务中，只用catalytic组能被用于酶设计。

designable: 残基能够被变为任何氨基酸
repacked: 构象可以被改变，但是rotamer type无法改变
fixed: 类型和残基都被固定
catalytic: 指定残基列入催化残基限制

# resfile 格式
SITES_DESIGN_START # designable
A 782 ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY
A 785 ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY
… …
A 991 ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY
A 993 ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY
SITES_DESIGN_END
SITES_REPACK_START
A 37
A 783
… …
A 1022
A 1024
SITES_REPACK_END
SITES_FIX_START
A 806
A 819
… …
A 980
A 981
SITES_FIX_END