[논문 리뷰] 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)|2015. 12. 15.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단백질 3D 구조의 더 간소화된 표현 방식인 더블센트로이드 감소 표현(DCRR)을 소개한다. 이 표현 방식은 원자적 세부 정보를 최소화하면서도 핵심적인 화학적 상호작용을 유지한다. MATLAB과 웹 서버를 사용하여 단백질 내부 및 단백질 간 수소결합과 반데르발스 상호작용을 동시에 시각화함으로써, 전체 원자 표현 방식보다 더 명확한 구조적 이해를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 계산 복잡성을 줄이면서도 필수적인 화학적 상호작용 데이터를 유지하는 감소된 단백질 표현 방식을 개발하는 것.
• 3D 단백질 구조에서 단백질 내부 및 단백질 간 수소결합과 반데르발스 상호작용을 동시에 시각화하는 것.
• 연구자들이 감소된 표현 방식을 사용하여 단백질 구조를 탐색할 수 있도록 접근성 있는 인터페이스를 구축하는 것.
• 모든 X선 결정학적 PDB 구조에 대해 사전 계산된 DCRR를 제공하는 웹 서버를 구축하는 것.
• 핵심 상호작용 정보를 손실하지 않으면서도 빛산된 시각적 혼잡함을 줄여 구조적 이해를 향상시키는 것.

제안 방법

• 백본(N, CA, C', O)과 측쇄(CB 및 그 이상)의 중심좌표를 사용하여 전체 원자 단백질 구조(AAR)를 더블센트로이드 감소 표현(DCRR)으로 변환하는 것.
• MATLAB 기반의 시각화 인터페이스를 구현하여 DCRR 구조를 색상으로 구분된 단백질 내부 및 외부 수소결합과 반데르발스 상호작용을 렌더링하는 것.
• PDB ID 또는 업로드된 모델을 입력받아 DCRR와 상호작용 시각화를 반환하는 웹 서버를 개발하는 것.
• 모든 X선 결정학적 PDB 구조에 대해 사전 계산된 DCRR 좌표를 포함하는 백엔드 데이터베이스를 구축하는 것.
• 기하학적 및 화학적 기준을 사용하여 감소 모델에서 수소결합과 반데르발스 접촉을 식별하고 표시하는 것.
• 원자 좌표 수를 수십만 배 이상 줄이면서도 공간적 관계를 유지하는 좌표 변환을 적용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감소된 단백질 표현 방식이 원자적 세부 정보를 최소화하면서도 핵심적인 내부 및 외부 상호작용을 유지할 수 있는가?
• RQ2 모든 원자 표현 방식과 비교해보았을 때 DCRR 시각화가 3D 단백질 구조의 명확성과 해석 가능성에 기여하는가?
• RQ3 웹 기반 시스템이 전체 PDB에 대해 DCRR 구조와 상호작용 데이터를 효율적으로 제공하고 시각화할 수 있는가?
• RQ4 센트로이드 기반의 감소 모델에서 수소결합과 반데르발스 상호작용을 얼마나 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ5 DCRR 접근 방식은 구조 생물학 연구에서 일상적인 사용에 대해 확장 가능하고 실용적인가?

주요 결과

• 더블센트로이드 감소 표현(DCRR)은 원자 수를 크게 줄이면서도 핵심적인 구조적 특성과 상호작용 기능을 유지한다.
• MATLAB 시각화 인터페이스는 DCRR 모델에서 단백질 내부 및 외부 수소결합과 반데르발스 상호작용을 성공적으로 렌더링한다.
• 단백질 DCRR 웹 서버는 PDB ID 또는 파일 업로드를 통해 모든 X선 결정학적 PDB 구조에 대한 DCRR 표현에 접근할 수 있다.
• 웹 서버의 백엔드 데이터베이스에는 관련된 모든 PDB 항목에 대해 사전 계산된 DCRR 좌표가 포함되어 있어 빠른 검색과 시각화를 가능하게 한다.
• 모든 원자 표현 방식보다 시각적으로 더 명확한 이해를 가능하게 하는 것은 시각적 혼잡함이 줄어들고 상호작용이 집중적으로 표시되기 때문이다.
• 전체 원자 모델의 계산 오버헤드 없이도 단백질 상호작용의 효율적 분석이 가능해진다.