タンパク質構造予測方法とソフトウェアのガイド

それらの生物学的機能を発揮するために、タンパク質は、複雑で可逆的な非共有結合相互作用によって決定される、1つ以上の特定のコンフォメーションに折りたたまれます。 タンパク質の構造を決定することは、結晶学、核磁気共鳴分光法、および二重偏光干渉法などの時間のかかる比較的高価な技術によって達成できます。 バイオインフォマティクスソフトウェアは、アミノ酸配列に基づいてタンパク質構造を計算および予測するために開発されました。

タンパク質構造の要約

実験技術の代替として、構造分析および予測ツールは、アミノ酸配列に従ってタンパク質構造を予測するのに役立ちます。 与えられたタンパク質の構造を解くことは、医学(例えば、ドラッグデザイン)とバイオテクノロジー(例えば、新しい酵素のデザイン)において非常に重要です。 したがって、機械の計算能力の向上とインテリジェントアルゴリズムの開発に伴い、タンパク質の予測計算の分野は常に進化しています。

タンパク質構造には4つのレベルがあります(図1)。 タンパク質構造予測では、一次構造を使用して二次および三次構造を予測します。

タンパク質の二次構造は、水素結合によって安定化されたポリペプチド鎖内の局所的な折りたたみです。 最も一般的な二次タンパク質構造は、アルファヘリックスとベータシートです。

三次構造は、さまざまな二次構造がすべて3D構造にフォールディングされた後のタンパク質の最終的な形です。 この最終的な形状は、イオン相互作用、ジスルフィドブリッジ、ファンデワールス力によって形成され、保持されます。

タンパク質構造の4つのレベル。 Khanacademy.orgからの画像。

タンパク質構造予測方法とソフトウェア

疾患予測、ダイナミクス予測、構造保存予測など、専用のタンパク質機能と特殊性のために多数の構造予測ソフトウェアが開発されています。アプローチには、ホモロジーモデリング、タンパク質スレッディング、ab initioメソッド、二次構造予測、膜貫通ヘリックスとシグナルペプチド予測。

正しい方法の選択は、常に未知のタンパク質の一次配列を使用して、相同性のタンパク質データベースを検索することから始まります(図2)。

タンパク質構造予測法の意思決定表。

タンパク質構造予測の詳細な方法をいくつか次に示します。

  • 二次構造予測ツール

これらのツールは、タンパク質のアミノ酸配列のみに基づいて局所的な二次構造を予測します。 次に、予測された構造がDSSPスコアと比較されます。DSSPスコアは、タンパク質の結晶構造に基づいて計算されます(DSSPスコアの詳細はこちら)。

二次構造の予測方法は、主に既知のタンパク質構造のデータベースと、ニューラルネットやサポートベクターマシンなどの最新の機械学習方法に依存しています。

ここに二次構造予測のためのいくつかの優れたツールがあります。

  • 三次構造

三次(または3-D)構造予測ツールは、2つの主要な方法に分類されます。abinitioと比較タンパク質モデリングです。

Ab initio(またはde novo)タンパク質構造予測法は、タンパク質の折りたたみエネルギーおよび/またはネイティブテンプレートが取得する立体構造特徴の統計的傾向を管理する一般的な原則に基づいて、明示的なテンプレートを使用せずに、配列から三次構造を予測しようとします。

タンパク質の三次構造に関するすべての情報は、その一次構造(つまり、そのアミノ酸配列)にコード化されています。 しかし、それらの数は膨大であると予測できます。そのうちの1つだけが、適切に折り畳むために必要な最小の自由エネルギーと安定性を備えています。 したがって、ab initioタンパク質構造予測は、タンパク質のネイティブなコンフォメーションを解決するために膨大な計算能力と時間を必要とし、現代科学にとって最大の課題の1つのままです。

最も人気のあるサーバーには、Robetta(Rosettaソフトウェアパッケージを使用)、SWISS-MODEL、PEPstr、QUARKなどがあります。 ここで完全なリストを参照してください。

既知の三次構造のタンパク質が、その配列の少なくとも30%を未決定構造の潜在的な相同体と共有する場合、未知の構造と既知の構造を重ね合わせる比較方法を使用して、未知の構造の可能性の高い構造を予測できます。 ホモロジーモデリングとタンパク質スレッディングは、他の類似タンパク質に関する以前の情報を使用して、その配列に基づいて未知のタンパク質の予測を提案する2つの主要な戦略です。

ホモロジーモデリングおよびタンパク質スレッディングソフトウェアには、RaptorX、FoldX、HHpred、I-TASSERなどが含まれます。

参考文献

De novoタンパク質構造予測。 ウィキペディア。

タンパク質構造予測。 ウィキペディア