Библиотека белковых фрагментов - Protein fragment library - Wikipedia

Библиотеки фрагментов основной цепи белка успешно использовались в различных структурная биология приложения, в том числе моделирование гомологии,[1] предсказание структуры de novo,[2][3][4] и определение структуры.[5] Уменьшая сложность области поиска, эти библиотеки фрагментов обеспечивают более быстрый поиск конформационное пространство, что приводит к созданию более эффективных и точных моделей.

Мотивация

Белки может принимать экспоненциальное количество состояний при дискретном моделировании. Как правило, конформации белка представлены в виде наборов двугранные углы, длина облигаций, и валентные углы между всеми связанными атомами. Наиболее распространенное упрощение - это предположение об идеальных длинах связей и валентных углах. Однако это все еще оставляет углы фи-пси позвоночника и до четырех двугранных углов для каждого боковая цепь, что приводит к наихудшей сложности k6*п возможные состояния белка, где п - количество остатков и k - количество дискретных состояний, смоделированных для каждого двугранного угла. Чтобы уменьшить конформационное пространство, можно использовать библиотеки фрагментов белка, а не явно моделировать каждый угол phi-psi.

Фрагменты - это короткие сегменты пептидного остова, обычно от 5 до 15. остатки длинные и не включают боковые цепи. Они могут указывать расположение только атомов C-альфа, если это сокращенное представление атома, или всех тяжелых атомов основной цепи (N, C-альфа, C карбонил, O). Обратите внимание, что боковые цепи обычно не моделируются с использованием подхода библиотеки фрагментов. Для моделирования дискретных состояний боковой цепи можно использовать ротамер библиотечный подход.[6]

Этот подход работает в предположении, что локальные взаимодействия играют большую роль в стабилизации общей конформации белка. В любой короткой последовательности молекулярные силы ограничивают структуру, приводя только к небольшому количеству возможных конформаций, которые можно моделировать с помощью фрагментов. Действительно, согласно Парадокс Левинталя, белок не может выбрать все возможные конформации за биологически разумный промежуток времени. Локально стабилизированные структуры уменьшили бы пространство поиска и позволили бы белкам сворачиваться за миллисекунды.

Строительство

Кластеризация фрагментов.
Группировка похожих фрагментов. Центроид показан синим цветом.

Библиотеки этих фрагментов построены на основе анализа Банк данных белков (PDB). Сначала выбирается репрезентативное подмножество PDB, которое должно охватывать разнообразный массив структур, предпочтительно с хорошим разрешением. Затем для каждой структуры каждый набор п последовательные остатки взяты в качестве фрагмента образца. Затем образцы группируются в k группы в зависимости от того, насколько они похожи друг на друга в пространственной конфигурации, с использованием таких алгоритмов, как k-средства кластеризации. Параметры п и k выбираются в соответствии с заявкой (см. обсуждение сложности ниже). В центроиды кластеров затем принимают за фрагмент. Дальнейшая оптимизация может быть выполнена, чтобы гарантировать, что центроид обладает идеальной геометрией связи, поскольку она была получена путем усреднения других геометрий. [7]

Поскольку фрагменты происходят из структур, существующих в природе, сегмент основной цепи, который они представляют, будет иметь реалистичную геометрию соединения. Это помогает избежать исследования всего пространства углов конформации, большая часть которых может привести к нереалистичной геометрии.

Вышеупомянутая кластеризация может быть выполнена без учета идентичности остатков или может быть специфичной для остатков.[2] То есть для любой заданной входной последовательности аминокислот кластеризация может быть получена с использованием только образцов, найденных в PDB с такой же последовательностью в k-мерный фрагмент. Это требует больше вычислительной работы, чем создание библиотеки фрагментов, не зависящих от последовательности, но потенциально может создавать более точные модели. И наоборот, требуется больший набор выборок, и полного охвата может не быть.

Пример использования: моделирование цикла

Конструкция петли.
Петля длиной 10 построена с использованием 6 фрагментов, каждый длиной 4. В этой двухмерной модели использовалось только 2 перекрытия. Точки привязки обведены кружком.

В моделирование гомологии, обычное применение библиотек фрагментов - моделировать петли структуры. Обычно альфа спирали и бета-листы находятся резьбовой против шаблонной структуры, но циклы между ними не указаны и должны быть предсказаны. Поиск петли с оптимальной конфигурацией - это NP-жесткий. Чтобы уменьшить конформационное пространство, которое необходимо исследовать, можно смоделировать цикл как серию перекрывающихся фрагментов. Затем можно выполнить выборку пространства или, если пространство теперь достаточно мало, исчерпывающе пронумеровать.

Один из подходов к исчерпывающему перечислению состоит в следующем.[1] Конструирование петли начинается с выравнивания всех возможных фрагментов для перекрытия с тремя остатками на N-конце петли (точка привязки). Затем все возможные варианты выбора второго фрагмента выравниваются (все возможные варианты выбора) первого фрагмента, гарантируя, что последние три остатка первого фрагмента перекрываются с первыми тремя остатками второго фрагмента. Это гарантирует, что цепочка фрагментов образует реалистичные углы как внутри фрагмента, так и между фрагментами. Затем это повторяется до тех пор, пока не будет построен цикл с правильной длиной остатков.

Петля должна как начинаться у якоря на стороне N, так и заканчиваться у якоря на стороне C. Поэтому каждую петлю необходимо тестировать, чтобы увидеть, перекрываются ли ее последние несколько остатков с концевым якорем C. Очень немногие из этих экспоненциальных чисел циклов-кандидатов закроют цикл. После фильтрации петель, которые не замыкаются, необходимо определить, какая петля имеет оптимальную конфигурацию, определяемую наименьшей энергией с использованием некоторого силового поля молекулярной механики.

Сложность

Сложность пространства состояний по-прежнему экспоненциально зависит от количества остатков, даже после использования библиотек фрагментов. Однако степень экспоненты снижается. Для библиотеки F-мерные фрагменты, с L фрагментов в библиотеке, а также для моделирования цепочки N остатков, перекрывающих каждый фрагмент на 3, будет L[N/(F-3)]+1 возможные цепи. [7] Это намного меньше, чем KN возможности, если явное моделирование углов phi-psi как K возможных комбинаций, поскольку сложность возрастает на степень меньше, чем N.

Сложность возрастает в L, размер библиотеки фрагментов. Однако библиотеки с большим количеством фрагментов охватят большее разнообразие структур фрагментов, поэтому существует компромисс между точностью модели и скоростью исследования пространства поиска. Этот выбор определяет, что K используется при выполнении кластеризации.

Дополнительно для любых фиксированных Lразнообразие структур, которые можно моделировать, уменьшается с увеличением длины фрагментов. Более короткие фрагменты более способны покрывать разнообразный массив структур, обнаруженных в PDB, чем более длинные. Недавно было показано, что библиотеки длиной до 15 способны моделировать 91% фрагментов в PDB с точностью до 2,0 ангстрем. [8]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Колодный Р., Гибас Л., Левитт М. и Кёль П. (2005, март). Обратная кинематика в биологии: проблема замыкания белковой петли. Международный журнал исследований робототехники 24 (2-3), 151-163.
  2. ^ а б Саймонс К., Куперберг К., Хуанг Е. и Бейкер Д. (1997). Сборка третичных структур белка из фрагментов с подобными локальными последовательностями с использованием имитированных функций отжига и байесовской оценки. J Mol Biol 268, 209-225.
  3. ^ Bujnicki, J. (2006) Прогнозирование структуры белка путем рекомбинации фрагментов. ChemBioChem. 7, 19-27.
  4. ^ Ли, С. и др. (2008) Fragment-HMM: новый подход к прогнозированию структуры белка. Белковая наука. 17, 1925-1934 гг.
  5. ^ ДиМайо, Ф., Шавлик, Дж., Филлипс, Г. Вероятностный подход к отслеживанию белковой основы на картах электронной плотности (2006). Биоинформатика 22 (14), 81-89.
  6. ^ Канутеску А., Шеленков А. и Данбрак Р. (2003). Алгоритм теории графов для предсказания боковой цепи белка. Protein Sci. 12, 2001–2014.
  7. ^ а б Колодный, Р., Кёль, П., Гибас, Л., и Левитт, М. (2005). Небольшие библиотеки белковых фрагментов точно моделируют структуры нативных белков. Дж. Мол Биол 323, 297-307.
  8. ^ Ду П., Андрек М. и Леви Р. Все ли структуры, соответствующие коротким фрагментам белка, в банке данных белков? Обновление. Белковая инженерия. 2003, 16 (6) 407-414.