CryoEM自动原子建模

这里介绍两种基于深度学习的从冷冻电镜map自动生成原子模型的软件，一个是RELION开发者Sjors H.W. Scheres组的成果，另一个是山东大学杨建益老师组的成果，实际测试下来各有优劣，针对不用的蛋白实际使用可以都试试。

ModelAngelo

ModelAngelo是一个用于冷冻电镜自动原子模型构建的程序。建议使用显存大于8GB的GPU，在NVIDIA 2080Super及更新的GPU上表现良好。其使用的语言模型所需的权重文件合计需要大概10 GB的硬盘空间。Github ：https://github.com/3dem/model-angelo.git

安装

使用conda管理安装环境，需要先安装conda。下载源代码后使用官方的安装脚本就能自动安装。

git clone https://github.com/3dem/model-angelo.git
cd model-angelo
source install_script.sh

如果顺利的话，现在应该有一个叫model_angelo的conda环境，可以用conda activate model_angelo来激活环境。

然后输入model_angelo build --help来确认是否安装正确了。

已知序列的建模

输入model_angelo build --help可以查看已知序列建模的帮助文件。

需要输入map和蛋白质序列fasta文件。同源多聚体的fasta只需要写一次序列，相同的序列会被移除。

model_angelo build -v map.mrc -pf prot.fasta -o output

也可以有dna或者rna序列。

model_angelo build -v map.mrc -pf prot.fasta -df dna.fasta -rf rna.fasta -o output

输出模型会在output/output.cif。

安装完成后第一次运行会下载权重文件，之后就不用了。

未知序列的建模

输入model_angelo build_no_seq --help可以查看未知序列建模的帮助文件。

一般情况下，只需要输入map就可以。

model_angelo build_no_seq -v map.mrc -o output

输出模型会在output/output.cif。

build和build_no_seq的权重文件是不一样的，第一次运行会下载权重文件，之后就不用了。

未知序列搜索

未知序列的建模之后，可以用这个模型去RCSB PDB数据库进行结构相似性比对，或者直接拿预测的序列进行blast，就能知道蛋白是什么。前者的成功率一般会高一点，而且速度很快，因为单从密度精确判断氨基酸种类对分辨率要求还是比较高的，可以手动确认验证一下。

ModelAngelo也内置了HMM search的方法来检索未知序列。

先按照未知序列建模运行命令，结果里应该会有一个output/hmm_profiles，此外还需要下载fasta格式的对应物种蛋白质组数据库。

人类Homo sapiens数据库：https://ftp.uniprot.org/pub/databases/uniprot/current_release/knowledgebase/reference_proteomes/Eukaryota/UP000005640/UP000005640_9606.fasta.gz

大肠杆菌E.coli (K12)数据库：https://ftp.uniprot.org/pub/databases/uniprot/current_release/knowledgebase/reference_proteomes/Bacteria/UP000000625/UP000000625_83333.fasta.gz

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae数据库：https://ftp.uniprot.org/pub/databases/uniprot/current_release/knowledgebase/reference_proteomes/Eukaryota/UP000002311/UP000002311_559292.fasta.gz

然后运行命令：

model_angelo hmm_search --i output --f PATH_TO_DB --o hmm_output

–i输入就是前面建模产生的output文件夹，PATH_TO_DB就是下载的对应物种的数据库（需要解压一下），–o就是输出文件。

指定GPU

所有命令都可以通过--device 0的方式来指定使用的GPU id，多个的话可以用逗号隔开。

CryoAtom

CryoAtom是山东大学杨建益老师组开发的冷冻电镜自动原子建模软件，使用方法和ModelAngelo类似。

Github ：https://github.com/YangLab-SDU/CryoAtom.git

安装

需要使用conda管理安装环境。需要按照cuda，确认nvcc -V。

git clone https://github.com/YangLab-SDU/CryoAtom.git
cd CryoAtom
source install.sh

按照完成后，用conda activate CryoAtom来激活环境。

然后输入cryoatom build -h来确认是否安装正确了。

已知序列的建模

输入cryoatom build -h可以查看已知序列建模的帮助文件。

需要输入map和蛋白质序列fasta文件。同源多聚体的fasta只需要写一次序列，相同的序列会被移除。

cryoatom build -v map.mrc -s prot.fasta

输出模型会在output/output.cif。

未知序列的建模

一般情况下，只需要输入map就可以。

cryoatom build -v map.mrc

输出模型会在output/output.cif。

如果已知物种，也可以指定蛋白质数据库来检索蛋白质序列。

cryoatom build -v map.mrc -f sequence_database.fasta