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——背景—— 天然无序蛋白(intrinsically disordered proteins, IDPs)在多个生物学过程起重要作用。许多时候，无序蛋白通过与有序蛋白作用发挥功能，这种相互作用往往以短的线性肽段(short linear motifs, SLiMs)介导。表征这些无序肽段，对理解其功能机理具有重要意义。然而，无序蛋白结构具有高度异质性，为其结构表征带来巨大挑战。 NMR和SAXS技术可分别提供残基水平和蛋白形状的平均信息，需要通过计算方法定量解释这些系综平均后的信息。例如化学位移(chemical shfits, CSs)和残留偶极耦合(residual dipolar couplings, RDCs)在残基水平的构象限制和二级结构表征方面，是非常灵敏的方法。SAXS描述蛋白系综平均后的形状。两者在提供的信息上是互补的，也因此经常被同时用于蛋白构象系综的表征。 分子动力学模拟能提供精确的结构采样，然而无法大规模应用。基于知识的方法通常使用coil数据库描述单个残基的构象信息。因此，基于后者开发的TraDES和Flexible-Meccano方法只提供无规卷曲区域的模型，无法捕捉涉及多个连续残基的结构特征。 2018年12月5日，来自法国蒙彼利埃大学的Pau Bernadó研究组，在Structure上发表题为“Realistic Ensemble Models of Intrinsically Disordered Proteins Using a Structure-Encoding Coil Database”的研究论文，利用三肽的coil数据库，发展出能预测无序片段二级结构信息的方法。该方法能帮助识别点突变和可变剪切造成的结构扰动。 ——计算方法—— 从SCOPe 2.06版本中提取三肽片段，利用DSSP程序去除至少一个残基数据螺旋或β折叠的三肽片段。剩下的三肽片段构成coil数据库。采样时，按照从N端到C端顺序，逐个残基进行构建。当添加一个新的残基，其主链二面角来源于coil数据库，进而生成全原子模型。为了避免碰撞，新建残基的构型被反复生成，直到无碰撞发生。基于单个残基的采样方法(single-residue-based sampling, SRS)：残基的主链二面角随机从含有该残基三肽片段中选取，不考虑相邻残基的类型。基于三残基的采样方法(three-residue-based sampling, TRS)：该策略在进行残基i的采样时，考虑残基i周围的i-1和i+1残基（对应三肽数据库中X-Y-Z）。残基i的采样被限制在X-Y-Z的子集中，确保残基i-1处于给定的二面角范围内。杂交采样(hybrid sampling)：组合使用SRS和TRS两种方法。同时基于RDCs信息，将TRS用于有部分二级结构的片段，SRS用于无序卷曲区域。 ——采样结果对比和分析—— 利用三肽数据库，作者对多个IDPs进行构象采样，每个蛋白生成100,000个构象。利用标准方法，计算产生了构象的N-HN RDCs和SAXS曲线。图1展示MKK7、eba181、p15、sic1、ntailSV、ntailMV、src、K18和全长Tau蛋白等无序蛋白的采样结果和实验结果的比较。SRS方法对这些无序蛋白的大部分区域与实验有较好地吻合，但是对于局部有二级结构的蛋白，SRS方法表现较差。TRS方法能够重现SRS表现较差的区域，但是整体上体现出对二级结构预测的权重过高的现象。
图1：RDC曲线：黑色为实验RDCs曲线，绿色和蓝色分别为TRS和SRS采样方法产生构象的RDCs曲线。 根据上述结果，作者利用TRS方法对含有二级结构的片段进行构象采样，对剩下的结构使用SRS方法。对这9个无序蛋白的采样结果表明，杂交的方法能兼顾无规卷曲和二级结构。通过与SAXS实验结果比较，发现杂交方法对IDPs的整体性质描述也更加准确。
图2：利用杂交方法进行构象采样：黑色为实验RDCs曲线，红色杂交采样方法产生构象的RDCs曲线。 ——小结—— 无序结构域在细胞通路中扮演重要角色。作者利用高分辨结构域的coil区域，建立三肽的coil数据库，并发展了SRS、TRS以及两者组合的方法，用于对无序结构域的构象采样。杂交方法所产生的构象与RDCs和SAXS能较好地吻合。 参考文献： Estana, A, et al. "Realistic Ensemble Models of Intrinsically Disordered Proteins Using a Structure-Encoding Coil Database." Structure 27(2018). DOI:10.1016/j.str.2018.10.016 作者： 阮 浩 |
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