[論文レビュー] The HP Model, Designability and Alpha-Helices in Protein Structures

C. T. Shih, Z. Y. Su+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 1998

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ひとこと要約

本研究は、正方形格子上のHPモデルが、表面とコア残基の間を繰り返し入れ替えるようなタンパク質様構造を、固有の基底状態として好むと提案している。このモデル構造と実際のタンパク質におけるアルファヘリックス領域との間に強い相関が見られ、これはアルファヘリックスが幾何学的整合性により、格子モデルにおいて本質的に設計可能であることを示唆している。

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.

研究の動機と目的

• 正方形格子上のHPモデルがタンパク質様基底状態をどの程度幾何学的に好むかを調査すること。
• 固有の基底状態として最も顕著に現れる構造モチーフを同定すること。
• PDBおよびDaliドメイン辞書に登録された実際のタンパク質配列と、モデルで得られた構造を比較すること。
• 実際のタンパク質におけるアルファヘリックスが、HPモデルで最も設計可能とされる構造モチーフとどの程度一致するかを特定すること。

提案手法

• 基底状態の配置を評価するために、正方形格子上でのHPモデルのシミュレーションを実施すること。
• 表面とコアのサイトを繰り返し入れ替える「スイッチバック」の数が多い構造が、好ましい基底状態として特定されること。
• PDBおよびDaliドメイン辞書に登録された実際のタンパク質構造から得た連結されたバイナリーシーケンスと、HPモデルのバイナリーシーケンスを比較すること。
• グローバルな配列比較を実施し、モデルで好まれる構造とアルファヘリックスを含むタンパク質領域との相関関係を評価すること。
• 幾何学的およびトポロジカル解析を用いて、格子モデルにおける構造の設計可能性を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HPモデルで最も頻繁に固有の基底状態として選ばれる構造モチーフは何か？
• RQ2 表面とコアの残基の間のスイッチバックは、HPモデルにおける基底状態の安定性および固有性にどのように影響するか？
• RQ3 HPモデルで最も設計可能とされる構造が、実際のタンパク質配列におけるアルファヘリックス領域とどの程度一致するか？
• RQ4 モデルで好まれる構造とPDBおよびDaliドメイン辞書に登録された実際のタンパク質構造モチーフとの相関は何か？
• RQ5 アルファヘリックスは、HPモデルにおける幾何学的制約の自然な結果として現れるか？

主な発見

• 表面とコアのサイトを繰り返し入れ替えるスイッチバックの数が多い構造は、正方形格子上のHPモデルで、固有の基底状態として強く好まれる。
• モデルで好まれる構造と実際のタンパク質との相関が最も高いのは、アルファヘリックスを含む領域である。
• 実際のタンパク質におけるアルファヘリックス断片は、HPモデルで最も設計可能とされる構造モチーフと顕著に重複している。
• アルファヘリックスの幾何学的性質は、格子モデルがコア-表面の交互パターンを好む傾向とよく整合している。
• HPモデルの設計可能性は、主にスイッチバック幾何学がアルファヘリックスに類似した構造モチーフと強く関連している。