ChimeraX使用教程【06】基于AlphaFold预测蛋白质的3D结构

UCSF ChimeraX（简称ChimeraX）是生物计算、可视化和信息学资源（RBVI）继UCSF Chimera之后推出的下一代分子可视化工具。ChimeraX可以免费下载，供学术、政府、非营利组织和个人使用。

官网地址：

https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/

人类基因组携带了逾2万个蛋白质的指令，但只有约1/3蛋白质的三维结构通过实验方法得到了解析，很多时候，这些蛋白质的结构只确定了其中一部分。AlphaFold基于深度神经网络预测蛋白质形态，能够快速生成高精确度的蛋白质 3D 模型。2021年7月，DeepMind开源了升级版本AlphaFold v2.0。在ChimeraX中有AlphaFold工具可直接使用，本期内容就为大家分享在ChimeraX中基于AlphaFold工具预测蛋白质3D结构的方法。

ChimeraX中的AlphaFold工具主要是提供两方面的功能：

从AlphaFold数据库中查找和检索现有的模型；

使用ColabFold运行新的AlphaFold预测。

在ChimeraX可以在菜单栏点击“Tools -> Structure Prediction -> AlphaFold”可打开AlphaFold面板；

在该面板中，可以看到Sequence的输入框，序列可以通过UniProt名称或登记号码指定，也可以直接粘贴序列至框中，或者可以从当前打开的蛋白质结构链菜单中选择。如果要预测蛋白复合体的结构，那么应该输入所有链的序列，当模型包含多个链时，输入不同链的序列以逗号分隔开。本例中我们直接粘贴一段序列在输入框中：

在AlphaFold面板的下方，有几个按钮：Fetch、Search、Predict、Options、Coloring、Error plot以及Help。其中“Fetch”表示在AlphaFold数据库中进行检索，获取与输入序列最相似的模型，输出的模型会自动在分子显示窗口中显示，可以打开Log面板查看相关的信息，包括“Identity%”、“Coverage%”等。

获取的模型存储在本地的~/Downloads/ChimeraX/AlphaFold/路径中，其中~表示用户的主目录。“Search”在AlphaFold数据库中使用BLAST搜寻与输入序列相似的序列，与我们在前面推文中介绍的同源模建时进行序列搜寻是类似的，这里就不再赘述了。

“Predict”就是蛋白3D结构预测了，可使用ColabFold（开源且优化的AlphaFold 2版本之一）进行结构预测。要使用ColabFold需要有谷歌账户，并通过浏览器登录。在使用ColabFold进行结构预测之前，可以在“Options”选择一些设置，其中“Use PDB templates when predicting structures”表示在预测结构时使用PDB模板，AlphaFold 可以使用多达四个结构作为模板；当这个选项打开时，ColabFold将寻找与目标的相似性序列，并在Colab日志中报告哪些条目（如果有的话）被用作模板。“Energy-minimize predicted structures”表示能量最小化预测的结构，默认是关闭的，以允许工作更快的完成和/或避免在最小化期间可能发生的故障。“Trim fetched structure to the aligned structure sequence”表示将搜寻的结构对齐到结构序列。设置完成后，点击“Predict”按钮即可，如果弹出Warning窗口，直接点击“Run anyway”等待计算完成即可。

预测完成后，可以在“AlphaFold Run”窗口中查看预测结果，也可从本地路径中导入。首次打开预测的结构时，AlphaFold预测的结构会自动通过B-Factor字段中的pLDDT置信度来自动着色，pLDDT对应于模型在lDDT-Cα度量上的预测得分，反应了模型的可靠性。一般来说：

pLDDT > 90的区域为高精度建模；

pLDDT 在70和90之间的区域将被很好地建模（骨架预测普遍良好）；

pLDDT 介于50和70之间的区域可信度低，应谨慎对待；

pLDDT < 50区域的三维坐标往往呈带状，不应解释，可能是无序的。

在颜色上，pLDDT从0到100由红色到蓝色过渡，可以点击“Coloring”按钮自定义颜色设置。

除了pLDDT图之外，AlphaFold还给出一个“Predicted Aligned Error”图，如果来自两个不同区域的残基对x，y的预测对齐误差较低，则表明 AlphaFold对它们的相对位置进行了良好的预测；

也可以在ChimeraX的AlphaFold面板中点击“Error Plot”按钮来查看“Predicted Aligned Error”图；

也可让预测的结构按Predicted Aligned Error进行着色，如下图：

参考资料：

https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/docs/user/tools/alphafold.html

https://alphafold.ebi.ac.uk/faq

Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Jumper J, Evans R, Pritzel A, et al. Nature. 2021 Aug;596（7873）:583-589.

Protein complex prediction with AlphaFold-Multimer. Evans R, O'Neill M, Pritzel A, et al. bioRxiv 2021.

AlphaFold Protein Structure Database: massively expanding the structural coverage of protein-sequence space with high-accuracy models. Varadi M, Anyango S, Deshpande M, et al. Nucleic Acids Res. 2022 Jan 7;50（D1）:D439-D444.

ColabFold: making protein folding accessible to all. Mirdita M, Schütze K, Moriwaki Y, Heo L, Ovchinnikov S, Steinegger M. Nat Methods. 2022 Jun;19（6）:679-682.

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