[论文解读] Reading the three-dimensional structure of a protein from its amino acid sequence

Ricardo A. Broglia, Guido Tiana|arXiv (Cornell University)|May 9, 2000

Enzyme Structure and Function参考文献 3被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种计算策略，通过利用从晶格模型模拟中识别出的保守接触和局部基本结构，直接从氨基酸序列预测蛋白质的3D天然结构。该方法在不同大小的蛋白质（27聚体至80聚体）中均成功以高精度重构出天然构象，经蒙特卡洛模拟验证，折叠过程持续趋向预测结构，归一化能量间隙 ξ > 6。

ABSTRACT

While all the information required for the folding of a protein is contained in its amino acid sequence, one has not yet learnt how to extract this information so as to predict the detailed, biological active, three-dimensional structure of a protein whose sequence is known. This situation is not particularly satisfactory, in keeping with the fact that while linear sequencing of the amino acids specifying a protein is relatively simple to carry out, the determination of the folded-native-conformation can only be done by an elaborate X-ray diffraction analysis performed on crystals of the protein or, if the protein is very small, by nuclear magnetic resonance techniques. Using insight obtained from lattice model simulations of the folding of small proteins (fewer than 100 residues), in particular of the fact that this phenomenon is essentially controlled by conserved contacts among strongly interacting amino acids, which also stabilize local elementary structures formed early in the folding process and leading to the (post-critical) folding core when they assemble together, we have worked out a successful strategy for reading the three-dimensional structure of a notional protein from its amino acid sequence.

研究动机与目标

• 解决长期存在的从蛋白质的一维氨基酸序列预测其3D天然结构的挑战。
• 通过识别定义折叠核的最小保守接触集合，克服 Levinthal 悖论。
• 开发一种反向工程策略——称为“反向反向折叠问题”——基于能量标准从序列推断3D结构。
• 通过蒙特卡洛模拟和能量间隙分析，在多种蛋白质大小和序列上验证该方法。

提出的方法

• 通过真实蛋白质统计分析获得的接触能量，从氨基酸序列中识别局部基本结构。
• 基于其相互作用能量，将这些基本结构组装成（临界后）折叠核心。
• 应用模拟退火方法松弛非核心残基，以最小化紧密构象的总能量。
• 将归一化能量间隙 ξ = (E_n − E_c)/σ 作为关键判据，其中 E_n 为天然态能量，E_c 为非天然紧密构象的阈值能量。
• 通过将预测的3D结构与反向折叠模拟中使用的原始设计构象进行比较，验证预测结果。
• 通过从随机伸展构象开始的蒙特卡洛模拟，追踪随时间的天然接触形成情况，确认折叠保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅从氨基酸序列可靠地预测蛋白质的3D天然结构？
• RQ2 保守接触和局部基本结构在决定折叠核和整体可折叠性方面起什么作用？
• RQ3 基于经验获得的接触能量的晶格模型能否准确重构设计蛋白质的天然构象？
• RQ4 归一化能量间隙 ξ 如何与折叠成功性和结构唯一性相关联？
• RQ5 当应用于在天然态中最小化局部接触的设计序列时，该方法是否仍保持鲁棒性？

主要发现

• 该方法成功预测了36聚体序列的天然3D构象，归一化间隙 ξ = 8.3，在约 0.7×10⁶ 次蒙特卡洛步骤内折叠为预测结构。
• 对于设计为最小化天然态中局部接触的36聚体序列，该方法仍成功预测出正确天然构象，ξ = 6.3，在约 2×10⁶ 次MC步骤内完成折叠。
• 48聚体序列被预测为折叠为天然构象，归一化间隙 ξ = 16.5，模拟结果证实其在约 3.3×10⁶ 次MC步骤内成功折叠。
• 预测的天然构象能量（E_n）始终低于阈值能量 E_c（−14.1），证实其稳定性和唯一性。
• 由局部基本结构之间相互作用形成的折叠核心被一致识别为可折叠性的关键决定因素。
• 在天然构象中，高相互作用残基（热点和温点）被正确识别，与已知蛋白质折叠中的能量热点一致。