[논문 리뷰] Correlations of Amino Acids with Secondary Structure Types: Connection with Amino Acid Structure

Saša N. Malkov, Miodrag Živković외 2명|ArXiv.org|2005. 05. 25.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 단백질 구조은 데이터베이스(PDB)의 구조적 데이터를 사용하여 2차 구조 유형(예: 알파-나선, 베타-스트랜드, 턴)에 대한 아미노산 선호도를 분석한다. 연구에서 Cβ 및 Cγ 원자에서의 아미노산 측쇄 성질—특히 비극성, 수소 결합 능력, 분지 구조 및 허르로마틱성—이 2차 구조 선호도에 강하게 영향을 미치며, 이러한 구조적 특성에 기반해 아미노산을 네 가지 구분된 그룹으로 분류함을 밝혀내었으며, 특정 잔기 거리(±25)에서 명확한 상관관계를 관찰하였다.

ABSTRACT

The correlations of primary and secondary structures were analyzed using proteins with known structure from Protein Data Bank. The correlation values of amino acid type and the eight secondary structure types at distant position were calculated for distances between -25 and 25. Shapes of the diagrams indicate that amino acids polarity and capability for hydrogen bonding have influence on the secondary structure at some distances. Clear preference of most of the amino acids towards certain secondary structure type classifies amino acids into four groups: alpha-helix admirers, strand admirers, turn and bend admirers and the others. Group four consists of His and Cis, the amino acids that do not show clear preference for any secondary structure. Amino acids from a group have similar physicochemical properties, and the same structural characteristics. The results suggest that amino acid preference for secondary structure type is based on the structural characteristics at Cb and Cg atoms of amino acid. alpha-helix admirers do not have polar heteroatoms on Cb and Cg atoms, nor branching or aromatic group on Cb atom. Amino acids that have aromatic groups or branching on Cb atom are strand admirers. Turn and bend admirers have polar heteroatom on Cb or Cg atoms or do not have Cb atom at all. Our results indicate that polarity and capability for hydrogen bonding have influence on the secondary structure at some distance, and that amino acid preference for secondary structure is caused by structural properties at Cb or Cg atoms.

연구 동기 및 목표

• 단백질 구조 전반에서 아미노산 유형과 2차 구조 유형 간의 체계적 상관관계를 규명하기 위해.
• 아미노산 측쇄의 물리화학적 성질이 2차 구조 선호도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• Cβ 및 Cγ 원자에서의 구조적 특성이 이러한 선호도를 지배하는지 확인하기 위해.
• 2차 구조 선호도와 그 기초가 되는 구조적 특성에 기반해 아미노산을 그룹으로 분류하기 위해.
• 비극성, 수소 결합 능력, 분지 구조 및 허르로마틱성이 특정 잔기 거리에서 2차 구조 형성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 13,000개의 단백질 구조를 단백질 구조은 데이터베이스(PDB)에서 분석하여 잔기 수준의 2차 구조 할당을 추출하였다.
• 잔기 거리 -25에서 +25까지의 범위에서 아미노산 유형과 여덟 가지 2차 구조 유형 간의 상관계수를 계산하였다.
• 2차 구조 선호도 패턴에 따라 아미노산을 네 가지 명확한 클래스로 군집화함: 나선 애호가, 스트랜드 애호가, 턴/굽힘 애호가, 기타.
• Cβ 및 Cγ 원자에 구조적 특성(비극성, 수소 결합 능력, 분지 구조, 허르로마틱성)을 맵핑하여 2차 구조 선호도와의 상관관계를 분석함.
• 통계적 분석을 통해 정의된 거리에서 측쇄 성질과 2차 구조 형성 간의 유의미한 상관관계를 규명함.
• Cβ/Cγ 원자에서의 구조적 특성에 기반해 아미노산을 분류하고, 기존의 2차 구조 선호도에 기반한 선호 패턴과의 일치성을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cβ 및 Cγ 원자에서 아미노산 측쇄의 어떤 특성이 2차 구조 선호도와 가장 강하게 상관되는가?
• RQ2 측쇄의 비극성과 수소 결합 능력은 알파-나선, 베타-스트랜드 또는 턴 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 2차 구조 선호도와 구조적 특성에 기반해 아미노산을 체계적으로 군집화할 수 있는가?
• RQ4 Cβ 원자에서의 분지 또는 허르로마틱성이 2차 구조 선호도 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 특정 2차 구조에 대한 아미노산 선호도가 유의미한 상관관계를 보이는 잔기 거리는 어느 정도인가?

주요 결과

• 2차 구조 선호도에 기반해 아미노산이 네 가지 클래스로 체계적으로 군집화됨: 나선 애호가, 스트랜드 애호가, 턴 및 굽힘 애호가, 그리고 히스티딘(His)과 시스(Cis)를 포함하는 기타 그룹(명확한 선호도 없음).
• 나선 애호가는 Cβ 및 Cγ 원자에 극성 이종 원자를 보유하지 않으며, Cβ에 분지 또는 허르로마틱 기능기를 가지지 않아, 나선 붕괴를 방지하는 공간적 및 전자적 요인에 기인함을 시사함.
• 스트랜드 애호가는 Cβ 원자에 허르로마틱 또는 분지 기능기를 지닌다. 이는 전개된 구조를 선호하는 공간적 및 비극성 효과를 반영함.
• 턴 및 굽힘 애호가는 Cβ 또는 Cγ 원자에 극성 이종 원자를 지닌다거나, Cβ 원자를 완전히 갖지 못함(예: 글리신). 이는 수소 결합 및 구조 유연성의 역할이 턴 형성에 기여함을 뒷받침함.
• 연구에서 비극성과 수소 결합 능력이 특정 잔기 거리(±25)에서 2차 구조 선호도에 중대한 영향을 미침을 규명하였으며, 상관계수 그림에서 명확한 패tern이 나타남.
• Cβ 및 Cγ 원자에서의 구조적 특성이 아미노산의 2차 구조 선호도를 결정하는 주요 요소이며, 이는 공간적, 전자적, 수소 결합 효과를 통해 관찰되는 선호도를 설명함.