[논문 리뷰] The HP Model, Designability and Alpha-Helices in Protein Structures

C. T. Shih, Z. Y. Su외 4명|arXiv (Cornell University)|1998. 12. 15.

Machine Learning in Bioinformatics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 정사각형 격자상의 HP 모델이 표면 잔기와 코어 잔기 사이를 자주 왔다 갔다 하는 단백질 유사 구조를 고유한 기본 상태로 선호함을 제안한다. 이러한 모델 구조와 실제 단백질 내 알파-헤르름 영역 간에 강한 상관관계를 발견하여, 알파-헤르름이 핵심-표면 번갈아 배치와 기하학적 호환성이 높기 때문에 격자 모델에서 본질적으로 설계 가능하다고 시사한다.

ABSTRACT

Analysis of the geometric properties of a mean-field HP model on a square lattice for protein structure shows that structures with large number of switch backs between surface and core sites are chosen favorably by peptides as unique ground states. Global comparison of model (binary) peptide sequences with concatenated (binary) protein sequences listed in the Protein Data Bank and the Dali Domain Dictionary indicates that the highest correlation occurs between model peptides choosing the favored structures and those portions of protein sequences containing alpha-helices.

연구 동기 및 목표

• 정사각형 격자상의 HP 모델이 단백질 유사 기본 상태를 형성할 때 기하학적 선호도를 조사한다.
• 유일한 기본 상태로 나타나는 가능성이 가장 높은 구조적 모티프를 규명한다.
• PDB와 Dali Domain Dictionary에 포함된 실제 단백질 서열과 모델에서 유도된 서열을 비교한다.
• 실제 단백질 내 알파-헤르름이 HP 모델에서 가장 설계 가능성이 높은 구조적 모티프와 어떻게 관련되어 있는지 규명한다.

제안 방법

• 기본 상태 구성 상태를 평가하기 위해 정사각형 격자상에서 HP 모델을 시뮬레이션한다.
• 표면 및 코어 위치 사이를 자주 왔다 갔다 하는 스위치백 수가 많은 구조를 유리한 기본 상태로 식별한다.
• PDB와 Dali Domain Dictionary의 실제 단백질 구조에서 유도된 이진 서열과 모델의 이진 서열을 연결하여 비교한다.
• 전역 서열 비교를 수행하여 모델에서 선호하는 구조와 알파-헤르름을 포함하는 단백질 영역 간 상관관계를 평가한다.
• 기하학적 및 위상적 분석을 활용하여 격자 모델 내 구조의 설계 가능성을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HP 모델에서 가장 자주 고유한 기본 상태로 선택되는 구조적 모티프는 무엇인가?
• RQ2 표면 및 코어 잔기 사이의 스위치백이 HP 모델의 기본 상태 안정성과 유일성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 HP 모델에서 가장 설계 가능성이 높은 구조가 실제 단백질 서열의 알파-헤르름 영역과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 모델에서 선호하는 구조와 PDB 및 Dali Domain Dictionary의 실제 단백질 구조 모티프 간 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 알파-헤르름이 HP 모델의 기하학적 제약 조건에 의해 자연스럽게 유도되는가?

주요 결과

• 표면 및 코어 위치 사이를 자주 왔다 갔다 하는 스위치백 수가 많은 구조는 정사각형 격자상의 HP 모델에서 고유한 기본 상태로 강하게 선호된다.
• 모델에서 선호하는 구조와 실제 단백질 간의 상관관계가 가장 높은 영역은 알파-헤르름을 포함하는 영역이다.
• 실제 단백질 내 알파-헤르름 세그먼트는 HP 모델에서 가장 설계 가능성이 높은 구조적 모티프와 상당한 겹침을 보인다.
• 알파-헤르름의 기하학적 특성이 격자 모델에서 코어-표면 번갈아 배열을 선호하는 성향과 잘 맞는다.
• HP 모델의 설계 가능성은 스위치백 기하학이 알파-헤르름과 유사한 구조적 모티프와 가장 강하게 연관되어 있다.