[論文レビュー] Visualization of Protein 3D Structures in Reduced Representation with Simultaneous Display of Intra- and Inter-Molecular Interactions

Vrunda Sheth, Reyes, Vicente M.|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Protein Structure and Dynamics参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、原子的詳細を最小限に抑えつつ重要な化学的相互作用を保持する、タンパク質3次元構造のダブルセンタロイド還元表現（DCRR）を紹介する。MATLABおよびウェブサーバーを用いて、分子内および分子間の水素結合とファンデルワールス相互作用を同時に可視化し、全原子表現よりも明確な構造的理解を可能にする。

ABSTRACT

Protein structure representation is an important tool in structural biology. There exists different methods of representing the protein 3D structures and different biologists favor different methods based on the information they require. Currently there is no available method of protein 3D structure representation which captures enough chemical information from the protein sequence and clearly shows the intra-molecular and the inter-molecular H-bonds and VDW interactions at the same time. This project aims to reduce the 3D structure of a protein and display the reduced representation along with intermolecular and the intra- molecular H-bonds and van der Waals interactions. A reduced protein representation has a significantly lower atomicity (i.e., number of atom coordinates) than one which is in all- atom representation. In this work, we transform the protein structure from all-atom representation" (AAR) to double-centroid reduced representation (DCRR), which contains amino acid backbone (N, CA, C', O) and side chain (CB and beyond) centroid coordinates instead of atomic coordinates. Another aim of this project is to develop a visualization interface for the reduced representation. This interface is implemented in MATLAB and displays the protein in DCRR along with its inter-molecular, as well as intra-molecular, interaction. Visually, DCRR is easier to comprehend than AAR. We also developed a Web Server called the Protein DCRR Web Server wherein users can enter the PDB id or upload a modeled protein and get the DCRR of that protein. The back end to the Web Server is a database which has the reduced representation for all the x-ray crystallographic structure in the PDB.

研究の動機と目的

• 計算複雑性を低減しつつ、必須の化学的相互作用データを維持する還元タンパク質表現を開発すること。
• 3次元タンパク質構造において、分子内および分子間の水素結合とファンデルワールス相互作用を同時に可視化すること。
• 研究者が還元表現を用いてタンパク質構造を探索できるアクセス可能なインターフェースを構築すること。
• 全X線結晶構造PDB構造に対して事前に計算されたDCRRを備えたウェブサーバーを構築すること。
• 不要な視覚的ごみを簡略化することで、重要な相互作用情報を失わず、構造理解を向上させること。

提案手法

• 骨格（N, CA, C', O）および側鎖（CB以降）の重心座標を用いて、全原子タンパク質構造（AAR）をダブルセンタロイド還元表現（DCRR）に変換する。
• MATLABベースの可視化インターフェースを実装し、DCRR構造を色分けされた分子内および分子間の水素結合とファンデルワールス相互作用でレンダリングする。
• PDB IDまたはアップロードされたモデルを受け取り、そのDCRRと相互作用可視化を返すウェブサーバーを開発する。
• PDBに収録された全X線結晶構造のDCRR座標を事前に計算し、バックエンドデータベースに格納する。
• 幾何学的および化学的基準を用いて、還元モデル内での水素結合およびファンデルワールス接触を特定・表示する。
• 座標変換を適用し、空間的関係を保持しながら、原子座標数を桁違いに削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 還元タンパク質表現は、原子的詳細を最小限に抑えつつ、分子内および分子間の重要な相互作用を保持できるか？
• RQ2 DCRR可視化は、全原子表現と比較して、3次元タンパク質構造の明確さと解釈可能性を向上させるか？
• RQ3 ウェブベースのシステムは、PDB全体のDCRR構造と相互作用データを効率的に提供・可視化できるか？
• RQ4 重心に基づく還元モデルにおいて、水素結合およびファンデルワールス相互作用はどの程度正確に表現できるか？
• RQ5 DCRRアプローチは、構造生物学研究における日常的利用にスケーラブルかつ実用的か？

主な発見

• ダブルセンタロイド還元表現（DCRR）は、原子性を顕著に低減しつつも、重要な構造的および相互作用的特徴を保持している。
• MATLAB可視化インターフェースは、DCRRモデルにおいて分子内および分子間の水素結合とファンデルワールス相互作用を正常にレンダリングした。
• タンパク質DCRRウェブサーバーは、PDB IDまたはファイルアップロードにより、全X線結晶構造PDB構造のDCRR表現にアクセス可能である。
• ウェブサーバーのバックエンドデータベースには、関連するすべてのPDBエントリの事前計算済みDCRR座標が格納されており、迅速な取得と可視化が可能である。
• DCRR可視化は、視覚的ごみが減少し、相互作用の焦点が明確に表示されるため、全原子表現よりも視覚的に理解しやすい。
• この手法により、全原子モデルの計算的オーバーヘッドを回避しながら、タンパク質相互作用の効率的分析が可能になる。