[论文解读] 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)|Dec 15, 2015

Protein Structure and Dynamics参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提出了一种蛋白质三维结构的双质心简化表示法（DCRR），在最小化原子细节的同时保留了关键的化学相互作用。利用 MATLAB 和一个网页服务器，可同时可视化分子内和分子间的氢键及范德华相互作用，从而比全原子表示法提供更清晰的结构理解。

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.

研究动机与目标

• 开发一种简化蛋白质表示法，以在降低计算复杂度的同时保留关键的化学相互作用数据。
• 实现在三维蛋白质结构中同时可视化分子内和分子间氢键及范德华相互作用。
• 为研究人员创建一个可访问的界面，用于通过简化表示法探索蛋白质结构。
• 构建一个网页服务器，为所有 X 射线晶体学 PDB 结构预先计算 DCRR。
• 通过简化视觉杂乱程度，同时不丢失关键相互作用信息，提升结构理解能力。

提出的方法

• 将全原子蛋白质结构（AAR）转换为双质心简化表示法（DCRR），使用主链（N、CA、C'、O）和侧链（CB 及更远）的质心坐标。
• 开发基于 MATLAB 的可视化界面，以颜色编码渲染 DCRR 结构中的分子内和分子间氢键及范德华相互作用。
• 开发一个网页服务器，接收 PDB ID 或上传的模型，并返回其 DCRR 及相互作用可视化结果。
• 在后端数据库中存储所有 PDB 中 X 射线晶体学结构的预计算 DCRR 坐标。
• 利用几何和化学标准识别并显示简化模型中的氢键和范德华接触。
• 应用一种坐标变换，以在原子坐标数量减少数个数量级的同时保持空间关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 简化蛋白质表示法是否能在最小化原子细节的同时保留关键的分子内和分子间相互作用？
• RQ2 与全原子表示法相比，DCRR 可视化是否能提高三维蛋白质结构的清晰度和可解释性？
• RQ3 基于网页的系统是否能高效地提供并可视化整个 PDB 的 DCRR 结构及其相互作用数据？
• RQ4 在基于质心的简化模型中，氢键和范德华相互作用的表示是否足够准确？
• RQ5 DCRR 方法在结构生物学研究中的常规应用中是否具备可扩展性和实用性？

主要发现

• 双质心简化表示法（DCRR）显著减少了原子数量，同时保留了关键的结构和相互作用特征。
• 基于 MATLAB 的可视化界面成功渲染了 DCRR 模型中的分子内和分子间氢键及范德华相互作用。
• 蛋白质 DCRR 网页服务器可通过 PDB ID 或文件上传，访问所有 X 射线晶体学 PDB 结构的 DCRR 表示。
• 网页服务器的后端数据库包含所有相关 PDB 条目的预计算 DCRR 坐标，支持快速检索和可视化。
• 由于减少了视觉杂乱并聚焦于关键相互作用的显示，DCRR 可视化比全原子表示法更具视觉可理解性。
• 该方法可在无需全原子模型计算开销的前提下，实现蛋白质相互作用的高效分析。