Зависимая от магистрали библиотека ротамеров
В биохимии предоставляет библиотека ротамеров, зависящая от основной цепи, частоты, средние двугранные углы и стандартные отклонения дискретных конформаций (известных как ротамеры ) аминокислот боковых цепей в белках как функцию основной цепи двугранных углов φ и ψ Карта Рамачандрана . Напротив, независимые от основной цепи библиотеки ротамеров выражают частоты и средние двугранные углы для всех боковых цепей в белках, независимо от конформации основной цепи каждого типа остатка. Было показано, что зависимые от основной цепи библиотеки ротамеров имеют значительные преимущества перед независимыми от основной цепи библиотеками ротамеров, главным образом, когда они используются в качестве энергетического термина, за счет ускорения времени поиска алгоритмов упаковки боковой цепи, используемых при предсказании структуры белка и проектировании белков . [1]
История
[ редактировать ]Первая зависимая от основной цепи библиотека ротамеров была разработана в 1993 году Роландом Данбреком и Мартином Карплюсом, чтобы помочь в предсказании декартовых координат боковых цепей белка с учетом экспериментально определенных или предсказанных декартовых координат его основной цепи. [2] Библиотека была получена из структур 132 белков из банка данных белков с разрешением 2,0 Å или лучше. Библиотека предоставила данные о количестве и частотах ротамеров χ 1 или χ 1 +χ 2 из 18 аминокислот (исключая типы остатков глицина и аланина , поскольку они не имеют двугранника χ 1 ) для каждого интервала 20° x 20° Рамачандрана. карта (φ,ψ = от -180° до -160°, от -160° до -140° и т. д.).
В 1997 году Данбрэк и Фред Э. Коэн из Калифорнийского университета в Сан-Франциско представили зависимую от магистрали библиотеку ротамеров, полученную на основе байесовской статистики . [3] Байесовский подход предоставил возможность определить байесовский априор для частот ротамеров в каждом интервале 10 ° x 10 °, полученный на основе предположения, что стерические и электростатические эффекты двугранных углов φ и ψ независимы. Кроме того, для подсчета боковых цепей, отстоящих на 180° в каждом направлении от интересующего интервала, использовалось периодическое ядро с периодичностью 180°. Как показатель греха 2 функция, она вела себя очень похоже на распределение фон Мизеса, обычно используемое в направленной статистике . Библиотека 1997 года стала общедоступной через Всемирную паутину в 1997 году и рано нашла применение для предсказания структуры белков. [4] и белковый дизайн . [5] Библиотека, основанная на байесовской статистике, была обновлена в 2002 году. [6]
Многие программы моделирования, такие как Rosetta , используют зависящую от основной цепи библиотеку ротамеров в качестве оценочной функции (обычно в форме E=-ln(p(rotamer( i ) | φ,ψ)) для i- го ротамера и оптимизируют конформация основной цепи белков путем минимизации энергии ротамера с помощью производных логарифмических вероятностей по φ,ψ. [7] Для этого требуются гладкие функции вероятности с гладкими производными, поскольку большинство алгоритмов математической оптимизации используют первую, а иногда и вторую производную и застревают в локальных минимумах на шероховатых поверхностях. В 2011 году Шаповалов и Данбрек опубликовали сглаженную библиотеку ротамеров, зависящую от основной цепи, полученную на основе оценок плотности ядра и регрессий ядра с ядрами распределения фон Мизеса для переменных φ, ψ. [8] Обработка неротамерных степеней свободы (тех двугранных углов, не относящихся к sp 3 -sp 3 связи , такие как аспарагин и аспартат χ 2 , фенилаланин , тирозин , гистидин , триптофан χ 2 , а также глутамин и глутамат χ 3 ) были улучшены путем моделирования плотности вероятности двугранного угла каждого из этих двугранных углов как функции ротамера χ 1 ( или χ 1 и χ 2 для Gln и Glu) и φ,ψ. Функции по существу являются регрессией периодической плотности вероятности на торе .
В дополнение к статистическому анализу структур в Банке данных белков , библиотеки ротамеров, зависящие от основной цепи, также могут быть получены на основе молекулярно-динамического моделирования белков, как продемонстрировано Библиотекой динамеомики Валери Даггетт . исследовательской группы [9] Поскольку эти библиотеки основаны на выборке результатов моделирования, они могут генерировать гораздо большее количество точек данных в регионах карты Рамачандрана, которые малонаселены экспериментальными структурами, что приводит к более высокой статистической значимости в этих регионах. Библиотеки ротамеров, полученные в результате моделирования, зависят от силового поля , используемого в моделировании. Библиотека Dynameomics построена на моделировании с использованием силового поля ENCAD Левитта и др. с 1995 года. [10]
Зависимость от скелета популяций ротамеров
[ редактировать ]
Влияние конформации основной цепи на частоты ротамеров боковой цепи обусловлено, прежде всего, стерическими отталкиваниями между атомами основной цепи, положение которых зависит от φ и ψ, и тяжелыми атомами γ боковой цепи (углеродом, кислородом или серой) каждого типа остатка (PDB типы атомов CG, CG1, CG2, OG, OG1, SG). Они происходят в предсказуемых комбинациях, которые зависят от двугранников, соединяющих атомы основной цепи с атомами боковой цепи. [11] [3] Эти стерические взаимодействия происходят, когда соединяющиеся двугранные углы образуют пару двугранных углов со значениями {-60°, +60°} или {+60°,-60°}, что связано с явлением пентановой интерференции . Например, атом азота остатка i+1 соединен с тяжелым атомом γ любой боковой цепи связным набором из 5 атомов: N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i )-Cγ(i). Двугранный угол N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i) равен ψ+120°, а C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ( и) равен χ 1 —120°. Когда ψ равен -60°, а χ 1 равен +60° (ротамер g+ боковой цепи), существует стерическое взаимодействие между N(i+1) и Cγ, поскольку соединяющие их двугранные углы равны N(i+1). -C(i)-Cα(i)-Cβ(i) = ψ+120° = +60°, и C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ(i) = χ 1 -120 ° = -60°. Такое же взаимодействие происходит, когда ψ равен 0°, а χ 1 равен 180° (транс-ротамер боковой цепи). Карбонильный кислород остатка i играет одинаковую роль при ψ=—60° для g+-ротамера и при ψ=180° для транс-ротамера. Наконец, φ-зависимые взаимодействия происходят между тяжелыми атомами γ боковой цепи в ротамерах g- и g+, с одной стороны, и карбонильным углеродом остатка i-1 и тяжелым атомом γ, а также между основной цепью NH остатка i и с другой стороны, его партнер по водородным связям.
Зависимые от φ,ψ взаимодействия атомов основной цепи и атомов Cγ боковой цепи можно наблюдать в распределении наблюдений на графике Рамачандрана каждого ротамера χ 1 (отмечено на рисунке). В этих позициях рамачандрановские популяции ротамеров значительно сокращаются. Их можно резюмировать следующим образом:
| Ротамер | Н(я+1) | О (я) |
|---|---|---|
| г+ | ψ = -60° | ψ = +120° |
| транс | ψ = 180° | ψ = 0° |
| Ротамер | С(я-1) | HBond к NH(i) |
| г+ | φ = +60° | φ = -120° |
| г- | φ = -180° | φ = 0° |
Типы боковой цепи с двумя тяжелыми атомами (Val, Ile, Thr) имеют зависимые от основной цепи взаимодействия с обоими тяжелыми атомами. Вал имеет CG1 при χ 1 и CG2 при χ 1 +120°. Поскольку конформации Val g+ и g- имеют стерические взаимодействия с основной цепью вблизи ψ=120° и -60° (наиболее населённые диапазоны ψ), Val является единственной аминокислотой, где т-ротамер (χ 1 ~180°) является наиболее населенным. общий. При большинстве значений φ и ψ допускается только один ротамер Val (показан на рисунке). Иле имеет CG1 при χ 1 и CG2 при χ 1 -120°. Thr имеет OG1 при χ 1 и CG2 при χ 1 -120°.
Использование
[ редактировать ]Библиотека ротамеров, зависящая от основной цепи Dunbrack, используется в ряде программ для прогнозирования структуры белков и вычислительного проектирования, в том числе:
- Прогнозирование конформации боковой цепи при моделировании структуры белка
- Визуализация белковых мутаций
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хуанг, X; Пирс, Р.; Чжан, Ю (2020). «К точности и скорости упаковки боковой цепи белка: систематическое исследование библиотек ротамеров» . Журнал химической информации и моделирования . 60 (1): 410–420. doi : 10.1021/acs.jcim.9b00812 . ПМЦ 7938712 . ПМИД 31851497 . Проверено 18 февраля 2021 г.
- ^ Данбрэк, Р.Л. младший; Карплюс, М (1993). «Основно-зависимая библиотека ротамеров для белков. Применение для предсказания боковой цепи». Журнал молекулярной биологии . 230 (2): 543–74. дои : 10.1006/jmbi.1993.1170 . ПМИД 8464064 .
- ^ Перейти обратно: а б Данбрэк, Р.Л. младший; Коэн, FE (1997). «Байесовский статистический анализ предпочтений ротамеров боковой цепи белка» . Белковая наука . 6 (8): 1661–81. дои : 10.1002/pro.5560060807 . ПМК 2143774 . ПМИД 9260279 .
- ^ Бауэр, MJ; Коэн, FE; Данбрэк, Р.Л. младший (1997). «Прогнозирование ротамеров боковой цепи белка из библиотеки ротамеров, зависящей от основной цепи: новый инструмент моделирования гомологии». Журнал молекулярной биологии . 267 (5): 1268–82. дои : 10.1006/jmbi.1997.0926 . ПМИД 9150411 .
- ^ Кульман, Б; Бейкер, Д. (2000). «Нативные белковые последовательности близки к оптимальным по своей структуре» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (19): 10383–8. Бибкод : 2000PNAS...9710383K . дои : 10.1073/pnas.97.19.10383 . ПМК 27033 . ПМИД 10984534 .
- ^ Данбрэк, Р.Л. младший (2002). «Ротамерные библиотеки в XXI веке». Современное мнение в области структурной биологии . 12 (4): 431–40. дои : 10.1016/s0959-440x(02)00344-5 . ПМИД 12163064 .
- ^ Перейти обратно: а б с Алфорд, РФ; Ливер-Фэй, А; Желязков-младший; О'Мира, MJ; ДиМайо, член парламента; Парк, Х; Шаповалов М.В.; Ренфрю, доктор медицинских наук; Маллиган, В.К.; Каппель, К; Лабонте, JW; Пачелла, MS; Бонно, Р; Брэдли, П; Данбрек, РЛ; Дас, Р; Бейкер, Д; Кульман, Б; Кортемме, Т; Грей, Джей-Джей (13 июня 2017 г.). «Функция энергии всех атомов Rosetta для макромолекулярного моделирования и дизайна» . Журнал химической теории и вычислений . 13 (6): 3031–3048. дои : 10.1021/acs.jctc.7b00125 . ПМЦ 5717763 . ПМИД 28430426 .
- ^ Шаповалов М.В.; Данбрэк, Р.Л. младший (2011). «Сглаженная библиотека ротамеров, зависящая от основной цепи, для белков, полученная на основе адаптивных оценок плотности ядра и регрессий» . Структура . 19 (6): 844–58. дои : 10.1016/j.str.2011.03.019 . ПМК 3118414 . ПМИД 21645855 .
- ^ Тауз, Клэр-Луиза; Рысави, Стивен Дж.; Вулович, Иван М.; Даггетт, Валери (5 января 2016 г.). «Новые библиотеки динамических ротамеров: анализ конформационных склонностей боковой цепи на основе данных» . Структура . 24 (1): 187–199. дои : 10.1016/j.str.2015.10.017 . ISSN 0969-2126 . ПМЦ 4715459 . ПМИД 26745530 .
- ^ Левитт, Майкл; Хиршберг, Мириам; Шэрон, Рут; Даггетт, Валери (1995). «Функция потенциальной энергии и параметры для моделирования молекулярной динамики белков и нуклеиновых кислот в растворе» . Компьютерная физика. Коммуникации . 91 (1): 215–231. Бибкод : 1995CoPhC..91..215L . дои : 10.1016/0010-4655(95)00049-L .
- ^ Данбрэк, Р.Л. младший; Карплюс, М (1994). «Конформационный анализ зависимых от основной цепи предпочтений ротамеров боковых цепей белка» . Структурная биология природы . 1 (5): 334–340. дои : 10.1038/nsb0594-334 . ISSN 1545-9985 . ПМИД 7664040 . S2CID 9157373 .
- ^ Уотерхаус, А; Бертони, М; Бинерт, С; Штудер, Г; Тауриелло, Дж; Гуменный, Р; Хир, FT; де Бир, TAP; Ремпфер, К; Бордоли, Л; Лепор, Р.; Шведе, Т (2018). «SWISS-MODEL: моделирование гомологии белковых структур и комплексов» . Исследования нуклеиновых кислот . 46 (П1): W296–W303. дои : 10.1093/nar/gky427 . ПМК 6030848 . ПМИД 29788355 .
- ^ Штудер, Г; Тауриелло, Дж; Бинерт, С; Биазини, М; Джонер, Н.; Шведе, Т (2021). «ProMod3-Универсальный набор инструментов для моделирования гомологии» . PLOS Вычислительная биология . 17 (1): e1008667. Бибкод : 2021PLSCB..17E8667S . дои : 10.1371/journal.pcbi.1008667 . ПМЦ 7872268 . ПМИД 33507980 .
- ^ Келли, Луизиана; Мезулис, С; Йейтс, CM; Васс, Миннесота; Штернберг, MJ (2015). «Веб-портал Phyre2 для моделирования, прогнозирования и анализа белков» . Протоколы природы . 10 (6): 845–58. дои : 10.1038/нпрот.2015.053 . ПМК 5298202 . ПМИД 25950237 .
- ^ Научное программное обеспечение OpenEye. «Конформации макромолекул — Наборы инструментов — Java» . Инструментарий OEChem 3.1.0.0 . Проверено 10 февраля 2021 г.
- ^ Кригер, Э. «Моделирование боковой цепи белка в YASARA» . www.yasara.org . Ясара Бионауки . Проверено 10 февраля 2021 г.
- ^ Хо, Л; Парк, Х; Сок, К. (2013). «GalaxyRefine: уточнение структуры белка за счет переупаковки боковой цепи» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (проблема с веб-сервером): W384-8. дои : 10.1093/нар/gkt458 . ПМК 3692086 . ПМИД 23737448 .
- ^ Кривов Георгий Григорьевич; Шаповалов Максим Владимирович; Данбрэк, Роланд Л. (2009). «Улучшенное предсказание конформаций боковой цепи белка с помощью SCWRL4» . Белки: структура, функции и биоинформатика . 77 (4): 778–795. дои : 10.1002/прот.22488 . ISSN 1097-0134 . ПМЦ 2885146 . ПМИД 19603484 .
- ^ Хуанг, X; Пирс, Р.; Чжан, Ю (2020). «EvoEF2: точная и быстрая энергетическая функция для вычислительного дизайна белков» . Биоинформатика . 36 (4): 1135–1142. doi : 10.1093/биоинформатика/btz740 . ПМК 7144094 . ПМИД 31588495 .
- ^ Кулп, Дэниел В. «Переключатель ротамера — PyMOLWiki» . pymolwiki.org . Консорциум SBGrid . Проверено 10 февраля 2021 г.
- ^ Петтерсен, Э.Ф.; Годдард, Т.Д.; Хуанг, CC; Мэн, ЕС; Коуч, GS; Кролл, Техас; Моррис, Дж. Х.; Феррин, Т.Э. «Инструменты Ротамер (ChimeraX)» . Руководство пользователя ChimeraX . Регенты Калифорнийского университета . Проверено 9 февраля 2021 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Dunbrack 2010 Библиотека ротамеров, зависящая от магистрали
- Конформационный анализ боковой цепи белка
- Ричардсон-независимые от магистрали библиотеки ротамеров. Архивировано 10 июня 2010 г. в Wayback Machine.
- Dynameomics Независимые и зависимые от скелета библиотеки ротамеров