一种基于阶段性多策略副本交换的蛋白质结构预测方法

摘要

一种基于阶段性多策略副本交换的蛋白质结构预测方法，在差分进化算法(DE)的框架下，首先，在每个温度层中生成具有多样化折叠类型的初始构象种群；然后，对每个温度层，根据迭代次数将构象搜索分为两个阶段，第一个阶段从种群中随机选取一个构象作为目标个体，第二个阶段根据能量将种群分为两个部分，从能量低的前50％的种群中随机选取一个个体作为目标个体；之后，随机选取与目标个体不一样的三个构象个体经过变异、交叉和片段组装策略生成测试个体，并根据构象的能量判断是否接受测试个体，进而将相邻的温度层的对应个体进行副本交换；在阶段性策略的指导下，辅以副本交换策略，通过不断更新种群获得一系列亚稳态构象。

主权项

一种基于阶段性多策略副本交换的蛋白质结构预测方法，其特征在于：所述预测方法包括以下步骤：1)给定查询序列信息；2)初始化：设置群体规模NP，变异因子F，交叉概率CR，n个温度层T，迭代次数iteration，片段长度为L，能量函数选用Rosetta Score3，首先通过对查询序列随机的折叠和变换，在每个温度层生成一个规模为NP的初始构象种群，初始群体为P＝{xⁱ|i∈I}，计算初始种群构象个体的能量值f(xⁱ),i∈I，并设其中i为种群个体编号，I为种群个体编号集合，I＝{1,2,...,NP}，为对应温度层能量函数值中的最小值，T为温度层；3)开始迭代，依次对每个温度层种群中的每个个体进行以下操作：3.1)令g＝1，g为迭代计数器；3.2)随机选取种群中的一个构象个体xⁱ，i∈{1,2,3,…,NP}，令P_target＝xⁱ，P_target表示目标构象个体，执行以下操作得到变异构象P_mutant；3.3)随机生成正整数rand1,rand2,rand3∈{1,2,3,......NP}，且rand1≠rand2≠rand3≠i，令P_rand1＝x^rand1，P_rand2＝x^rand2，P_rand3＝x^rand3；再生成4个随机整数randrange1,randrange2,randrange3,randrange4；其中randrange1≠randrange2，randrange3≠randrange4∈{1,2,…,Length},Length为序列长度；3.4)令a＝min(randrange1,randrange2)，b＝max(randrange1,randrange2)；令c＝min(randrange3,randrange4)，d＝max(randrange3,randrange4)；其中min表示取两个数的最小值，max表示取两个数的最大值；3.5)如果g≤iteration/2，用P_rand2上位置a到位置b的片段的氨基酸所对应的二面角phi、psi、omega替换P_rand1的相同位置所对应的二面角phi、psi、omega；再使用P_rand3上位置c到位置d的片段的氨基酸所对应的二面角phi、psi、omega替换P_rand1上相同位置所对应的二面角phi、psi、omega，再将所得P_rand1进行片段组装得到变异个体P_mutant，跳转至3.7)；3.6)如果iteration/2<g<iteration，则执行如下操作：3.6.1)根据能量对整个种群中的构象进行降序排列，然后从能量低的前NP/2个构象个体中随机选出一个构象记为P_pbest；3.6.2)用P_rand2上位置a到位置b的片段的氨基酸所对应的二面角phi、psi、omega替换P_rand1的相同位置所对应的二面角phi、psi、omega；再使用P_rand3上位置c到位置d的片段的氨基酸所对应的二面角phi、psi、omega替换P_pbest上相同位置所对应的二面角phi、psi、omega，再将所得P_rand1进行片段组装得到变异个体P_mutant；3.7)针对变异个体P_mutant做交叉操作，过程如下：3.7.1)生成随机数rand4，rand5，其中rand4∈(0,1)，rand5∈(1,Length)；3.7.2)根据执行交叉过程：若随机数rand4≤CR，个体P_mutant的片段rand5替换为个体P_target中对应的片段，否则直接继承变异个体得到测试个体P_trail；3.8)针对每个温度层中的目标个体P_target和测试个体P_trail进行选择操作：3.8.1)计算P_target和P_trail的能量：E(P_target)和E(P_trail)；3.8.2)若E(P_target)>E(P_trail)则用P_trail替换P_target，进入3.8)；4)在每个温度层都进行变异、交叉和选择更新完种群后，将相邻温度层中对应的个体进行副本交换：4.1)首先选择种群中第i个个体，i∈I(i＝1,2，…，NP)；4.2)选择两个相邻的温度层T_j和T_j+1，j＝1,2，…，n；4.3)产生一个随机数randx∈(0,1)和判别数：$judge=e^{\left(\frac{1}{(K\times (T_{j+1}\left)\right)}-\frac{1}{K\times T_j})\times (f\left(x_{T_{j+1}}^i\right)-f\left(x_{T_j}^i\right))\right)}$其中，表示在T_j个温度层中第i个个体，其中i＝1,2,…,NP，为种群个体的能量值，K为玻尔兹曼常数，T_j(j＝1,2,…,n)为第j个温度层的开尔文温度，j为索引编号，e为自然常数；4.4)若randx＜judge，将相邻温度层中的和个体进行交换；5)判断是否满足终止条件，如不满足则转至3)；若满足则输出结果。