백본 종속 로타머 라이브러리

Backbone-dependent rotamer library
세린용 백본 종속 로타머 라이브러리.각 플롯은 등뼈 부면각의 함수로서 세린(serine)의1 population 로타머(rotamer)의 모집단을 나타낸다.

생화학에서 등뼈 의존 로타머 라이브러리는 라마찬드란 지도의 백본 다이헤드각 φ과 ψ의 함수로서 단백질에 있는 아미노산 사이드 체인의 이산적 순응(로타머라 한다)의 주파수, 평균 디헤드각, 표준 편차를 제공한다.이와는 대조적으로, 백본 독립 로타머 라이브러리는 각 잔류물 유형의 백본 순응에 관계없이 단백질의 모든 측면 사슬에 대한 주파수 및 평균 이음각도를 표현한다.백본 의존형 로타머 라이브러리는 주로 에너지 용어로 사용될 때 단백질 구조 예측 및 단백질 설계에 사용되는 사이드 체인 패킹 알고리즘의 검색 시간을 단축함으로써 백본 독립형 로타머 라이브러리에 비해 상당한 장점을 가지고 있는 것으로 나타났다.[1]

역사

최초의 등뼈 의존형 로타머 도서관은 롤랜드 던브랙과 마틴 카플러스에 의해 1993년에 주요 사슬의 실험적으로 결정되거나 예측된 데카르트 좌표를 고려하여 단백질 측 사슬의 카르테시안 좌표 예측을 돕기 위해 개발되었다.[2]이 도서관은 분해능 2.0 å 이상의 단백질 데이터 뱅크에서 132개의 단백질 구조에서 파생되었다.도서관은 라마찬드란 지도의 각 20° x 2012° 빈(-160° ~ -160° ~ -160° ~ -160° ~ -140° 등)에 대해 18개의 아미노산(글리신1 및 알라닌 잔류물은 제외)의 계수와 빈도를1 제공했다.

1997년에 던브랙과 프레드 E. 샌프란시스코 캘리포니아 대학의 코헨은 베이지안 통계에서 파생된 등뼈 의존형 로타머 라이브러리를 제시했다.[3]베이시안 접근방식은 φ과 ψ 이음각의 강직 및 정전기 효과가 독립적이라고 가정하여 도출한 각 10° x 10° bin의 로타머 주파수에 대해 베이시안 사전 정의의 기회를 제공했다.또한, 180° 주기성을 가진 주기적인 커널을 사용하여 관심의 쓰레기통으로부터 각 방향으로 180° 떨어진 측면 사슬을 계수하였다.죄함수의2 지수로써, 그것은 방향 통계에 일반적으로 사용되는 폰 미제스 분포와 매우 유사하게 행동했다.1997년 월드 와이드 웹을 통해 공개된 이 도서관은 단백질 구조[4] 예측과 단백질 디자인에서 초기 활용을 발견했다.[5]베이시안 통계에서 파생된 도서관은 2002년에[6] 갱신되었다.

페닐알라닌을 위한 백본 의존형 로타머 라이브러리.각 플롯은 백본 다이헤드각 φ과 yl의 함수로서 페닐알라닌의 χ1 로타머의 모집단을 나타낸다.

로제타와 같은 많은 모델링 프로그램은 등뼈 의존형 로타머 라이브러리를 ih 로타머에 대한 채점 함수(보통 E=-ln(p(p(i) ,, ψ) 형태)로 사용하고, φ,ψ에 관한 로그 확률의 파생상품으로 로타머 에너지를 최소화하여 단백질의 등뼈 적합성을 최적화한다.[7]대부분의 수학적 최적화 알고리즘은 첫 번째 및 때로는 두 번째 파생 모델을 사용하며 거친 표면에서 국부적 미니마(minima)에 고착되기 때문에 부드러운 파생 모델의 확률 기능을 필요로 한다.2011년 샤포발로프와 던브랙은 kernel,, 변수에 폰 미제스 분포 커널을 가진 커널 밀도 추정과 커널 퇴행으로부터 도출된 평활 백본 의존 로타머 라이브러리를 발행했다.[8]자유(아스파라긴과 아스파르트산 χ2 같은sp3-sp3 채권,,, 티로신, 히스티딘, 트립 토판 페닐알라닌 χ2, 글루타민과 글루타민산 χ3지 않는 것에 대해 그 두개의 평면의 각도)의non-rotameric도의 치료법은 각 이 2면 각의 각도의 χ1 rotamer의 함수(또는 2면각. 확률 밀도에 개선되었다.한 χ1d Gln과 Glu의 경우2)와 φ, ψ.함수는 본질적으로 토러스에서 주기적인 확률밀도의 퇴행이다.

단백질 데이터 뱅크의 구조에 대한 통계적 분석 외에도, 백본 의존형 로타머 라이브러리는 발레리 다게트의 연구 그룹의 Dynameomics Library에서 입증한 바와 같이 단백질의 분자 역학 시뮬레이션에서도 도출할 수 있다.[9]이러한 라이브러리는 시뮬레이션에서 추출한 샘플링에 기초하기 때문에 실험 구조에서 드물게 채워지는 라마찬드란 지도 영역 전체에 걸쳐 훨씬 더 많은 데이터 포인트를 생성할 수 있어 이러한 영역에서 통계적 유의성을 높일 수 있다.시뮬레이션에서 도출된 로타머 라이브러리는 시뮬레이션에서 사용되는 힘 영역에 따라 달라진다.Dynamomics Library는 1995년부터 Levitt 외 연구소의 EnCAD 힘 필드를 사용한 시뮬레이션을 기반으로 구축되었다.[10]

로타머 모집단의 백본 의존도

뉴먼 투영에 나타난 아미노산 사이드 체인의 백본 적합성 의존성 로타머 선호도에 영향을 미치는 강체 상호작용

백본 순응이 사이드 체인 로타머 주파수에 미치는 영향은 주로 φ과 ψ에 의존하는 백본 원자와 각 잔류물 유형(PDB 원자 유형 CG, CG1, CG2, OG, OG1, OG1, SG)의 γ 무거운 원자(탄소, 산소 또는 황) 사이의 stericer repulation에 기인한다.이것들은 백본 원자와 사이드 체인 원자를 연결하는 다이헤드랄에 의존하는 예측 가능한 조합으로 발생한다.[11][3]이러한 강직 상호 작용은 연결 이음각들이 값이 {-60°인 이음각 쌍을 형성할 때 발생한다.펜탄 간섭 현상과 관련된 방법으로 +60°} 또는 {+60°,-60°}.예를 들어, 잔류물 i+1의 질소 원자는 N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ(i)-Cγ(i)의 연결된 세트에 의해 어떤 측면 사슬의 γ 무거운 원자에 연결된다.이음각 N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i)는 ψ+120°, C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cc(i)는 χ-1201°와 같다.When ψ is -60° and χ1 is +60° (the g+ rotamer of a side chain), there is a steric interaction between N(i+1) and Cγ because the dihedral angles connecting them are N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i) = ψ+120° = +60°, and C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ(i) = χ1-120° = -60°.ψ이 0°이고 χ이1 180°(측사슬의 트랜스 로타머)일 때도 같은 교호작용이 발생한다.잔류물의 카보닐산소 i는 g+로타머의 경우 -=-60°, 트랜스로타머의 경우 180=180°의 경우 같은 역할을 한다.마지막으로, depend 의존적 상호작용은 한 손에는 g-와 g+ 로타머의 사이드체인 γ 무거운 원자와, 한 손에는 잔류물 i-1과 γ 무거운 원자의 카보닐 탄소 사이에, 그리고 다른 한 손에는 잔류물 i의 백본 NH와 그 수소결합 파트너 사이에 발생한다.

아미노산의 Ramachandran 플롯 분포에 영향을 미치는 사이드 체인/메인 체인 강체 상호작용.데이터는 아미노산 리신을 위한 것이다.

백본 원자와 사이드 체인 Cγ 원자의 φ, ψ 의존적 상호작용은 각 χ1 로타머의 라마찬드란 그림의 관측치 분포에서 관찰할 수 있다(그림에 표시됨).이러한 위치에서 로타머의 라마찬드란 인구는 현저하게 감소한다.그것들은 다음과 같이 요약할 수 있다.

φ, 백본/사이드 체인 상호작용의 반복
로타머 N(i+1) 오(i)
g+ ψ = -60° ψ = +120°
갈아타다 ψ = 180° ψ = 0°
로타머 C(i-1) HBond to NH(i)
g+ φ = +60° φ = -120°
g- φ = -180° φ = 0°
발라인용 백본 종속 로타머 라이브러리.각 플롯은 등뼈 부면각 function과 val의1 함수로서 발린의 population 로타머의 모집단을 나타낸다.

두 개의 무거운 원자(Val, Ile, Thr)를 가진 사이드 체인 유형은 두 개의 무거운 원자와 백본 의존적 상호작용을 가진다.발은 χ에1 CG1을, χ1+120°에 CG2를 가지고 있다.Val g+와 g- 순응은 ==120° 및 -60°(가장 인구가 많은 ranges 범위) 근방의 등뼈와 강직 상호작용을 하기 때문에, 발은 t 로타머(χ1~180°)가 있는 유일한 아미노산이다.가장 흔하다.φ과 ψ의 대부분의 값에서는 Val의 로타머 1개만 허용된다(그림으로 표시).Ile은 χ에1 CG1을, --1201°에 CG2를 가지고 있다.스르는 χ에1 OG1을, χ-1201°에 CG2를 가지고 있다.

사용하다

Dunbrack 백본 의존형 Rotamer 라이브러리는 단백질 구조 예측 및 계산 설계를 위한 많은 프로그램에서 사용된다. 여기에는 다음이 포함된다.

참조

  1. ^ Huang, X; Pearce, R; Zhang, Y (2020). "Toward the Accuracy and Speed of Protein Side-Chain Packing: A Systematic Study on Rotamer Libraries". Journal of Chemical Information and Modeling. 60 (1): 410–420. doi:10.1021/acs.jcim.9b00812. PMC 7938712. PMID 31851497. Retrieved 18 February 2021.
  2. ^ Dunbrack, RL, Jr.; Karplus, M (1993). "Backbone-dependent rotamer library for proteins. Application to side-chain prediction". Journal of Molecular Biology. 230 (2): 543–74. doi:10.1006/jmbi.1993.1170. PMID 8464064.
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외부 링크