[論文レビュー] Predicting Residue-wise Contact Orders of Native Protein Structure from Amino Acid Sequence

Akira R. Kinjo, Ken Nishikawa|ArXiv.org|Jan 12, 2005

Protein Structure and Dynamics参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、アミノ酸配列から残基別接触順序（RWCO）を予測する線形回帰ベースの手法を提示しており、予測値と天然のRWCO値の間で平均0.59の高い相関を達成した。この手法は26残基という非常に大きな最適な半ウィンドウサイズを用い、RWCOの主な決定要因として疎水性パターンを特定し、タンパク質折りたたみにおける配列-構造関係についての知見を提供する。

ABSTRACT

Residue-wise contact order (RWCO) is a new kind of one-dimensional protein structures which represents the extent of long-range contacts. We have recently shown that a set of three types of one-dimensional structures (secondary structure, contact number, and RWCO) contains sufficient information for reconstructing the three-dimensional structure of proteins. Currently, there exist prediction methods for secondary structure and contact number from amino acid sequence, but none exists for RWCO. Also, the properties of amino acids that affect RWCO is not clearly understood. Here, we present a linear regression-based method to predict RWCO from amino acid sequence, and analyze the regression parameters to identify the properties that correlates with the RWCO. The present method achieves the significant correlation of 0.59 between the native and predicted RWCOs on average. An unusual feature of the RWCO prediction is the remarkably large optimal half window size of 26 residues. The regression parameters for the central and near-central residues of the local sequence segment highly correlate with those of the contact number prediction, and hence with hydrophobicity.

研究の動機と目的

• アミノ酸配列から残基別接触順序（RWCO）を予測する手法を開発すること。これは、従来、このような手法が存在しなかったためである。
• 特に長距離構造的接触に関連して、RWCOに影響を与えるアミノ酸性質を同定すること。
• 1次元表現（RWCO、二次構造、接触数を含む）から3次元タンパク質構造を再構築する可能性を評価すること。
• 局所的配列ウィンドウ内で、RWCOと接触数の予測力の相違を比較し、それらの相関関係を評価すること。

提案手法

• 可変サイズのスライディングウィンドウを用いて、局所的アミノ酸配列からRWCO値を予測する線形回帰モデルを訓練する。
• 本手法は、ある残基とその接触する残基間の配列間隔の合計に接触の有無を重み付けした、グローバルに正規化されたRWCOを定義する。
• 予測のための最適な半ウィンドウサイズは経験的に決定され、26残基が最大相関を示した。
• 回帰係数を分析して、特に疎水性に関連するRWCOに影響を与えるアミノ酸性質を同定する。
• SCOPドメインのデータセットを用いて評価し、予測されたRWCOと天然値との相関および乖離度を比較する。
• 接触数予測との比較を通じて、相互予測性能を評価し、共通する配列パターンを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アミノ酸配列のみから残基別接触順序（RWCO）を信頼性高く予測することは可能か？
• RQ2 特に疎水性を含め、RWCOと強く相関するアミノ酸性質は何か？
• RQ3 RWCO予測の最適な局所ウィンドウサイズは、接触数予測のそれと比べてどう異なるか？
• RQ4 異なる配列ウィンドウにおいて、接触数とRWCOの予測値どうしの相関はどの程度高いか？
• RQ5 非線形モデルを導入するか、RWCO値の大きな局所的偏差を適切に扱うことで、RWCO予測の精度を向上させられるか？

主な発見

• 提示された線形回帰手法は、予測値と天然の残基別接触順序（RWCO）値との間に平均0.59の相関を達成した。
• RWCO予測の最適な半ウィンドウサイズは26残基であり、他のタンパク質構造予測で用いられる通常のウィンドウサイズよりも顕著に大きい。
• ウィンドウ内の中心および近接する残基の回帰係数は、接触数予測からのものと強く相関しており、疎水性が支配的な役割を果たしていることが示された。
• 予測されたRWCOと天然の接触数の相関は0.50（M=4）であったが、逆にRWCOから接触数を予測した場合の相関は0.62に達し、両特徴量の強い相関関係が示された。
• 予測に用いられるウィンドウサイズが非常に大きいことから、RWCO予測は接触数予測よりも長距離配列パターンにより敏感であることが示された。
• 中程度の相関であったが、本手法はRWCOが主に局所的配列セグメントの疎水性パターン、特に中心部の位置において決定されることを明らかにした。