[論文レビュー] Charge Transfer Database for Bio-molecule Tight Binding Model Derived from Thousands of Proteins

Hongwei Wang, Fang Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Computational Drug Discovery Methods参考文献 74被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、数千体の高分解能タンパク質構造から得られた大規模な電荷移動データベースを提示する。タイトバインディングモデルを用いて、400通りのアミノ酸側鎖ペアすべてに対して電子移動カップリングを計算した。結果として、電荷移動の好みに顕著な異方性が示され、代表的な挙動を捉えるために単一の代表構造では不十分であることが明らかになった。また、化学的直感を必要とせず、構造的類似性に基づいてカップリングパラメータを予測するデータ駆動型フレームワークを提供する。

ABSTRACT

The anisotropic feature of charge transfer reactions in realistic proteins cannot be ignored, due to the highly complex chemical structure of bio-molecules. In this work, we have performed the first large-scale quantitative assessment of charge transfer preference in protein complexes by calculating the charge transfer couplings in all 20*20 possible amino acid side chain combinations, which are extracted from available high-quality structures of thousands of protein complexes. The charge transfer database quantitatively shows distinct features of charge transfer couplings among millions of amino acid side-chains combinations. The knowledge graph of charge transfer couplings reveals that only one average or representative structure cannot be regarded as the typical charge transfer preference in realistic proteins. This data driven model provides us an alternative route to comprehensively understand the pairwise charge transfer coupling parameters based structural similarity, without any require of the knowledge of chemical intuition about the chemical interactions.

研究の動機と目的

• 実際のタンパク質環境下における20×20のアミノ酸側鎖ペアすべての間で、電荷移動カップリングの好みを体系的に定量すること。
• 化学的直感に依存する限界を克服するため、構造的特徴に基づくデータ駆動型モデルの開発。
• 大規模な計算的手法を用いて、複雑なタンパク質アーキテクチャにおける電子移動の異方性の性質を評価すること。
• 生物学的システムにおける電子移動のモデリングに使用可能な、包括的かつオープンアクセスの電荷移動カップリングデータベースの構築。

提案手法

• 研究では、高品質で実験的に決定されたタンパク質複合体構造から20×20のアミノ酸側鎖ペアを抽出した。
• 各ペアに対して、電子移動カップリングパラメータを計算するためにタイトバインディングモデルを適用した。
• カップリング強度を定量化するために、構造的環境と空間的配置に焦点を当てた分析を実施した。
• データセットを用いて、数百万もの側鎖ペアの組み合わせにおける電荷移動カップリングの知識グラフを構築した。
• 事前の化学的仮定なしに、カップリングの傾向を推定するための主な指標として、構造的類似性を用いた。
• カップリングの傾向がタンパク質における既知の電子移動メカニズムと一致することを比較することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のタンパク質構造におけるすべての可能なアミノ酸側鎖ペアの間で、電荷移動カップリングの支配的パターンは何か？
• RQ2 構造的環境は生物学的システムにおける電荷移動カップリングにどのように影響するか？
• RQ3 構造的類似性に基づくデータ駆動型アプローチは、化学的直感に依存せずに電荷移動カップリングを予測できるか？
• RQ4 現実的なタンパク質複合体において、電荷移動はどの程度異方的であるか？
• RQ5 タンパク質における典型的な電荷移動挙動を捉えるために、単一の代表的構造が存在するか？

主な発見

• 電荷移動カップリングデータベースは顕著な異方性を示しており、タンパク質における典型的なカップリング好みを捉えるために単一の平均構造では不十分であることが示された。
• 本研究では、異なるアミノ酸ペア間で明確なカップリングトレンドが特定され、局所的な構造的幾何学的要因に大きく依存する顕著な変動が確認された。
• 構造的類似性のみを用いることで、カップリングパラメータの信頼性の高い予測が可能となり、化学的直感への依存が軽減された。
• 数百万もの側鎖ペアの組み合わせにおいて、非一様なカップリング強度が観察され、タンパク質内での電子移動の複雑さが強調された。
• カップリングの知識グラフは、カップリング挙動が非常に文脈依存的であり、単一の代表的構造からはグローバルに予測できないことを示した。
• 本データセットは、実験的で構造に基づくパラメータを用いて、バイオ分子系における電子移動モデルの改善に基盤を提供する。