[论文解读] The HP Model, Designability and Alpha-Helices in Protein Structures

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

Machine Learning in Bioinformatics被引用 3

一句话总结

本研究提出，在正方形晶格上的HP模型倾向于形成具有频繁在表面与核心残基间切换的蛋白质样结构作为独特的基态。该研究发现，此类受青睐的模型结构与真实蛋白质中的α-螺旋区域存在强烈相关性，表明由于α-螺旋在几何上与核心-表面交替模式相容，因此在晶格模型中其本身具有固有的可设计性。

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.

研究动机与目标

• 研究HP模型在正方形晶格上对蛋白质样基态的几何偏好。
• 识别HP模型中最可能作为唯一基态出现的结构基元。
• 将模型所青睐的结构与PDB和Dali域词典中的真实蛋白质序列进行比较。
• 确定真实蛋白质中的α-螺旋是否与HP模型中最可设计的结构基元相对应。

提出的方法

• 在正方形晶格上模拟HP模型以评估基态构型。
• 将具有大量表面与核心位点之间折返的结构识别为有利的基态。
• 将HP模型的二进制序列与PDB和Dali域词典中真实蛋白质结构的拼接二进制序列进行比较。
• 进行全局序列比较，以评估模型所青睐的结构与含有α-螺旋的蛋白质区域之间的相关性。
• 通过几何与拓扑分析量化晶格模型中的结构可设计性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HP模型中哪些结构基元最常被选为唯一基态？
• RQ2 表面与核心残基之间的折返如何影响HP模型中基态的稳定性和唯一性？
• RQ3 HP模型中最可设计的结构在多大程度上与真实蛋白质序列中的α-螺旋区域相对应？
• RQ4 模型所青睐的结构与PDB及Dali域词典中实际蛋白质结构基元之间的相关性如何？
• RQ5 α-螺旋是否作为HP模型中几何约束的自然结果而出现？

主要发现

• 在正方形晶格上的HP模型中，具有大量表面与核心位点之间折返的结构被强烈偏好为唯一基态。
• 模型所青睐的结构与真实蛋白质之间的相关性在含有α-螺旋的区域达到最高。
• 真实蛋白质中的α-螺旋区段与HP模型中最可设计的结构基元存在显著重叠。
• α-螺旋的几何特性与晶格模型对交替核心-表面模式的偏好高度吻合。
• HP模型的可设计性最强烈地与在折返几何上类似于α-螺旋的结构基元相关联。