Przewidywanie przesunięć chemicznych białek
Przewidywanie przesunięć chemicznych białek to gałąź biomolekularnej spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego , której celem jest dokładne obliczenie przesunięć chemicznych białek na podstawie współrzędnych białek. Po raz pierwszy podjęto próbę przewidywania przesunięcia chemicznego białek pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku, stosując metody półempiryczne stosowane do struktur białek rozpoznawanych za pomocą krystalografii rentgenowskiej . Od tego czasu przewidywanie przesunięć chemicznych białek ewoluowało i obejmuje znacznie bardziej wyrafinowane podejścia, w tym mechanikę kwantową i uczenie maszynowe oraz empirycznie wyprowadzone hiperpowierzchnie przesunięcia chemicznego. Najnowsze opracowane metody charakteryzują się niezwykłą precyzją i dokładnością.
Przesunięcia chemiczne białek
Przesunięcia chemiczne NMR są często nazywane punktami milowymi spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego . Chemicy wykorzystują przesunięcia chemiczne od ponad 50 lat jako wysoce powtarzalne i łatwe do zmierzenia parametry do mapowania struktury kowalencyjnej małych cząsteczek organicznych. Rzeczywiście, czułość substancji chemicznej NMR zmienia się w zależności od rodzaju i charakteru sąsiednich atomów , w połączeniu z ich w miarę przewidywalnymi tendencjami, uczyniło je nieocenionymi zarówno przy rozszyfrowywaniu, jak i opisywaniu struktury tysięcy nowo syntetyzowanych lub nowo izolowanych związków. Ta sama wrażliwość na różnorodne ważne cechy strukturalne białek sprawiła, że przesunięcia chemiczne białek są równie cenne dla chemików zajmujących się białkami i biomolekularnych Spektroskopiści NMR. W szczególności przesunięcia chemiczne białek są wrażliwe nie tylko na działanie podstawników lub atomów kowalencyjnych (takie jak elektroujemność , stany redoks lub prądy pierścieniowe ), ale są również wrażliwe na szkielet kąty skręcenia (tj. struktura drugorzędowa), wiązania wodorowe, lokalne ruchy atomów i dostępność rozpuszczalnika.
Znaczenie przewidywania przesunięć chemicznych białek
Przewidywane lub szacowane przesunięcia chemiczne białek mogą być wykorzystane jako pomoc w procesie przypisywania przesunięć chemicznych. Jest to szczególnie prawdziwe, jeśli podobną (lub identyczną) strukturę białka udało się ustalić za pomocą krystalografii rentgenowskiej. W tym przypadku trójwymiarową strukturę można wykorzystać do oszacowania, jakie powinny być przesunięcia chemiczne NMR, a tym samym uprościć proces przypisywania zaobserwowanych eksperymentalnie przesunięć chemicznych. Przewidywane/szacowane przesunięcia chemiczne białek można również wykorzystać do identyfikacji nieprawidłowych lub błędnych przypisań, skorygowania błędnie lub błędnie odniesionych przesunięć chemicznych, optymalizacji struktur białek poprzez udoskonalenie przesunięć chemicznych oraz identyfikacji względnego udziału różnych efektów elektronicznych lub geometrycznych w przesunięcia specyficzne dla jądra. Przesunięcia chemiczne białek można również wykorzystać do identyfikacji struktur drugorzędowych i oszacowania szkieletu , określenie lokalizacji pierścieni aromatycznych , ocena stopni utlenienia cysteiny , oszacowanie narażenia na rozpuszczalnik i pomiar elastyczności szkieletu .
Postęp w programach przewidywania przesunięć chemicznych
Znaczący postęp w przewidywaniu przesunięć chemicznych osiągnięto dzięki ciągłemu doskonaleniu wiedzy na temat kluczowych czynników fizykochemicznych przyczyniających się do zmian przesunięć chemicznych. Do tych ulepszeń przyczynił się także znaczący postęp obliczeniowy i szybki rozwój baz danych o biomolekularnych zmianach chemicznych. pojawiły się co najmniej trzy różne metody obliczania lub przewidywania przesunięć chemicznych białek. Pierwsza opiera się na zastosowaniu dopasowania sekwencji/struktury do przesunięcia chemicznego białka baz danych, drugi opiera się na bezpośrednim obliczaniu przesunięć od współrzędnych atomowych, a trzeci opiera się na zastosowaniu kombinacji obu podejść.
- Przewidywanie przesunięć na podstawie homologii sekwencji: opiera się na prostej obserwacji, że podobne sekwencje białek mają podobne struktury i podobne przesunięcia chemiczne
- Przewidywanie przesunięć na podstawie danych/struktury współrzędnych:
- Metody półklasyczne: wykorzystują równania empiryczne wywodzące się z fizyki klasycznej i danych eksperymentalnych
- Metody mechaniki kwantowej (QM): wykorzystują teorię funkcjonału gęstości (DFT)
- Metody empiryczne: polegają na wykorzystaniu „hiperpowierzchni” przesunięcia chemicznego lub powiązanych tabel „struktury/przesunięcia”.
- Metody hybrydowe: połączenie dwóch powyższych metod
Pojawienie się hybrydowych metod predykcji
Na początku 2000 roku kilka grup badawczych zdało sobie sprawę, że przesunięcia chemiczne białek można obliczyć wydajniej i dokładniej, łącząc różne metody, jak pokazano na rysunku 1. Doprowadziło to do opracowania kilku programów i serwerów internetowych, które szybko obliczają przesunięcia chemiczne białek, jeśli są wyposażone w dane współrzędnych białek. Te programy „hybrydowe” wraz z niektórymi ich funkcjami i adresami URL wymieniono poniżej w Tabeli 1.
Podsumowanie programów przewidywania przesunięć chemicznych białek
| Nazwa | metoda | Strona internetowa |
|---|---|---|
| SHIFTCALC | Hybrydowe – empiryczne hiperpowierzchnie przesunięcia chemicznego w połączeniu z obliczeniami półklasycznymi | https://archive.today/20140324204821/http://nmr.group.shef.ac.uk/NMR/mainpage.html |
| PRZESUNIĘCIA | Hybrydowe – hiperpowierzchnie przesunięcia chemicznego QM połączone z obliczeniami półklasycznymi | http://casegroup.rutgers.edu/qshifts/qshifts.htm |
| CheSHIFT | QM obliczyło hiperpowierzchnie przesunięcia chemicznego | http://cheshift.com/ |
| SHIFTX | Hybrydowe – empiryczne hiperpowierzchnie przesunięcia chemicznego w połączeniu z obliczeniami półklasycznymi | http://shiftx.wishartlab.com |
| PRZESUNIĘCIE | Model sieci neuronowej wykorzystujący parametry atomowe i informacje o sekwencji | http://www.meilerlab.org/index.php/servers/show?s_id=9 |
| SPARTA | Hybrydowe - dopasowywanie sekwencji i przesunięć do baz danych w połączeniu z obliczeniami półklasycznymi | http://spin.niddk.nih.gov/bax/software/SPARTA/index.html |
| SPARTA+ | Hybrydowe - dopasowywanie sekwencji i przesunięć do baz danych w połączeniu z obliczeniami półklasycznymi i sztuczną siecią neuronową | http://spin.niddk.nih.gov/bax/software/SPARTA+/ |
| PRZEŁĄCZENIE krzywki | Metoda oparta na odległości w połączeniu ze sparametryzowanym rozwinięciem wielomianu | https://web.archive.org/web/20140109151911/http://www-vendruscolo.ch.cam.ac.uk/camshift/camshift.php |
| SHIFTX2 | Hybrydowa – metoda uczenia maszynowego wykorzystująca parametry atomowe w połączeniu z obliczeniami półklasycznymi (SHIFTX+). Wreszcie, użycie reguł zespołowych z przewidywaniem opartym na homologii sekwencji (SHIFTY+) | http://www.shiftx2.ca |
Porównanie wydajności nowoczesnych programów do przewidywania przesunięć chemicznych białek
W tabeli tej (Rysunek 2) przedstawiono współczynniki korelacji między zaobserwowanymi eksperymentalnie przesunięciami chemicznymi szkieletu a obliczonymi/przewidywanymi przesunięciami szkieletu dla różnych predyktorów przesunięcia chemicznego przy użyciu identycznego zestawu testowego 61 białek testowych.
Zasięg i prędkość
Różne metody mają różne poziomy pokrycia i stawki obliczeniowe. Niektóre metody obliczają lub przewidują jedynie przesunięcia chemiczne atomów szkieletu (6 typów atomów). Niektórzy obliczają przesunięcia chemiczne dla szkieletu i niektórych atomów łańcucha bocznego (tylko C i N), a jeszcze inni są w stanie obliczyć przesunięcia dla wszystkich atomów (40 typów atomów). W celu udoskonalenia przesunięcia chemicznego potrzebne są szybkie obliczenia, ponieważ podczas dynamiki molekularnej lub symulowanego wyżarzania generowane są tysiące struktur, a ich przesunięcia chemiczne muszą być obliczane równie szybko.
| Program | Przewidywana liczba typów atomów | Prędkość (sekundy/100 pozostałości) |
|---|---|---|
| SHIFTX | 27 | 0,59 |
| SPARTA | 6 (tylko szkielet) | 17,92 |
| SPARTA+ | 6 (tylko szkielet) | 2,47 |
| CamShift | 6 (tylko szkielet) | 0,91 |
| PRZESUNIĘCIA | 31 | 3,66 |
| PRZESUNIĘCIE | 40 | 12.82 |
| SHIFTX2 | 40 | 2.10 |
Wszystkie testy szybkości obliczeniowej dla SPARTA, SPARTA+, SHIFTS, CamShift, SHIFTX i SHIFTX2 przeprowadzono na tym samym komputerze przy użyciu tego samego zestawu białek. Szybkość obliczeń podana dla PROSHIFT opiera się na współczynniku odpowiedzi jego serwera internetowego.