化学シフト指数

化学シフト指数（CSI）は、タンパク質核磁気共鳴分光法で広く使用されている手法であり、バックボーンの化学シフトデータのみを使用して、タンパク質内にある位置（開始と終了）とタンパク質二次構造のタイプ（ベータストランド、ヘリックス、ランダムコイル領域）を表示および識別するために使用できます^[1]^[2]この手法は、1992年にDavid S. Wishartによって^1Hα化学シフトを分析するために発明され、その後1994年に13Cバックボーンシフトを組み込むように拡張されました^。元のCSI法は、ヘリックス内のアミノ酸残基の1Hα化学シフトが、^ランダムコイル値に比べてアップフィールド（NMRスペクトルの右側に向かって）にシフトし、ベータストランドではダウンフィールド（NMRスペクトルの左側に向かって）にシフトする傾向があるという事実を利用しています。同様のアップフィールドとダウンフィールドの傾向は、バックボーンの^13C化学シフトでも検出できます。

実装

CSI はグラフベースの技術で、基本的にアミノ酸固有のデジタルフィルターを使用して、割り当てられたすべてのバックボーン化学シフト値を単純な 3 状態 (-1、0、+1) インデックスに変換します。このアプローチにより、タンパク質化学シフト値のグラフがよりわかりやすく、視覚的にもはるかに美しくなります。特に、特定の残基のアップフィールド¹ Hα 化学シフト (アミノ酸固有のランダムコイル値に対する相対値) が 0.1 ppm を超える場合、そのアミノ酸残基には -1 の値が割り当てられます。同様に、特定のアミノ酸残基のダウンフィールド¹ Hα 化学シフトが 0.1 ppm を超える場合、その残基には +1 の値が割り当てられます。アミノ酸残基の化学シフトが十分な量だけダウンフィールドまたはアップフィールドにシフトされていない場合 (つまり、<0.1 ppm)、値 0 が与えられます。この 3 状態インデックスをタンパク質配列の全長にわたって棒グラフとしてプロットすると、簡単な検査でベータストランド (+1 値のクラスター)、アルファヘリックス (-1 値のクラスター)、およびランダムコイルセグメント (0 値のクラスター) を識別できます。CSI 計算用のアミノ酸固有のランダムコイル化学シフトのリストは、表 1 に示されています。小さなタンパク質の CSI グラフの例が図 1 に示されています。黒いバーの上にある矢印はベータストランドの位置を示し、長方形のボックスはヘリックスの位置を示しています。

パフォーマンス

¹ Hα 化学シフトと単純なクラスタリングルール (β ストランドの場合は 3 本以上の縦棒のクラスター、α ヘリックスの場合は 4 本以上の縦棒のクラスター) のみを使用するCSI は、通常、二次構造の識別において 75～80% の精度を示します。 ^[2]^[3]^[4]^[5]このパフォーマンスは、NMR データセットの品質と、タンパク質の二次構造を識別するために使用される手法 (手動またはプログラム) に部分的に依存します。前述のように、¹ Hα シフトと同様に¹³ Cα、¹³ Cβ、および¹³ C' 原子のアップフィールド/ダウンフィールド化学シフトの変化をフィルターするコンセンサス CSI 法も開発されています。^{[2]コンセンサス CSI は、バックボーンの}¹ H および¹³ C 化学シフトからの CSI プロットを組み合わせて、単一の CSI プロットを生成します。精度は最大 85～90% です。^[5]

歴史

タンパク質の化学シフトとタンパク質の二次構造（特にαヘリックス）の関係は、1967年にジョン・マークリーとその同僚によって初めて説明されました。 ^[6] 現代の2次元NMR技術の発達により、より多くのタンパク質の化学シフトを測定できるようになりました。1980年代初頭にさらに多くのペプチドとタンパク質が割り当てられるようになり、アミノ酸の化学シフトはヘリックス構造だけでなくβストランド構造にも敏感であることがすぐに明らかになりました。具体的には、すべてのアミノ酸の二次¹ Hα化学シフトは、ヘリックス形成時に明らかなアップフィールド傾向を示し、βシート形成時に明らかなダウンフィールド傾向を示します。^[7]^[8] 1990年代初頭までに、ペプチドとタンパク質の¹³ Cと^{15 Nの化学シフトの割り当てが十分に収集され、基本的にすべてのバックボーン}¹³ Cα、¹³ Cβ、¹³ C'、¹ HN、および¹⁵ N（弱い）化学シフトで同様のアップフィールド/ダウンフィールド傾向が明らかであることが決定されました。^[9]^[10]化学シフト指数の開発に利用されたのは、これらのかなり顕著な化学シフト傾向でした。

制限事項

CSI法には欠点がないわけではありません。特に、化学シフトの割り当てが誤っていたり不完全だったりすると、パフォーマンスが低下します。また、二次シフトを計算するために使用されるランダムコイルシフトの選択に非常に敏感であり^[5]、ランダムコイルシフトの選択に関係なく、アルファヘリックス（> 85%の精度）をベータストランド（< 75%の精度）よりもよく識別します。^[5] さらに、CSI法では、βターンなどの他の種類の二次構造は識別されません。これらの欠点のため、CSIに似た代替アプローチがいくつか提案されています。これらには、1)統計的に導出された化学シフト/構造ポテンシャルを使用する予測方法（PECAN）^[11]、 2)二次構造同定への確率的アプローチ（PSSI）が含まれます。^[12] 3) 配列データと化学シフトデータからの二次構造予測を組み合わせた方法（PsiCSI）^[13] 4) 事前に指定された化学シフトパターンを使用する二次構造同定アプローチ（PLATON）^[14] 5) 2DCSiとして知られる2次元クラスター分析法。^[15]これらの新しい方法のパフォーマンスは、一般的に元のCSI法よりもわずかに優れています（2〜4％）。

ユーティリティ

CSI法は、1992年に初めて発表されて以来、何千ものペプチドやタンパク質の二次構造を特徴付けるために使用されてきました。その人気の理由は、理解しやすく、特殊なコンピュータプログラムを必要とせずに実装できることが大きな理由です。CSI法は手動でも簡単に実行できますが、NMRView ^{[16]などの一般的なNMRデータ処理プログラム、CS23D}^[17]などのNMR構造生成Webサーバー、RCI ^[18]、 Preditor ^[19]、PANAV ^[20]などのさまざまなNMRデータ分析Webサーバーでは、CSI法がソフトウェアに組み込んでいます。

参照

参考文献

^ Wishart DS、Sykes BD 、Richards FM (1992 年 2 月)。「化学シフト指数: NMR 分光法によるタンパク質二次構造の割り当てのための高速かつ簡単な方法」。生化学。31 ( 6 ) : 1647–51。CiteSeerX 10.1.1.539.2952。doi : 10.1021 / bi00121a010。PMID 1737021。
^ abc Wishart, David S. ; Sykes, Brian D. (1994). 「¹³ C 化学シフト指数: ¹³ C 化学シフトデータを使用したタンパク質二次構造の識別のための簡単な方法」Journal of Biomolecular NMR . 4 (2): 171–80. doi :10.1007/BF00175245. PMID 8019132. S2CID 42323147.
^ Wishart DS、Case DA (2001)。「高分子構造決定における化学シフトの利用」。生体高分子の核磁気共鳴パート A。酵素学の方法。第 338 巻。pp . 3–34。doi :10.1016/s0076-6879(02) 38214-4。ISBN 9780121822392. PMID 11460554。
^ Mielke SP、Krishnan VV (2009 年 4 月)。「NMR 化学シフトによるタンパク質二次構造の特徴付け」。核磁気共鳴分光法の進歩。54 (3–4): 141–165。Bibcode :2009PNMRS..54..141M。doi : 10.1016 / j.pnmrs.2008.06.002。PMC 2766081。PMID 20160946。
^ abcd Wishart DS (2011年2月). 「タンパク質化学シフトデータの解釈」.核磁気共鳴分光法の進歩. 58 (1–2): 62–87. Bibcode :2011PNMRS..58...62W. doi :10.1016/j.pnmrs.2010.07.004. PMID 21241884.
^ Markley JL、Meadows DH 、 Jardetzky O (1967年7月)。「ポリアミノ酸のヘリックス-コイル遷移の核磁気共鳴研究」。Journal of Molecular Biology。27 ( 1): 25–40。doi : 10.1016 /0022-2836(67)90349-X。PMID 6033611 。
^ Clayden, NJ; Williams, RJP (1982). 「ペプチドグループシフト」. Journal of Magnetic Resonance . 49 (3): 383. Bibcode :1982JMagR..49..383C. doi :10.1016/0022-2364(82)90252-9.
^ Pardi A 、 Wagner G、Wüthrich K (1983年12月)。「タンパク質の立体配座とプロトン核磁気共鳴化学シフト」。European Journal of Biochemistry。137 ( 3): 445–54。doi : 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07848.x。PMID 6198174。
^ Wishart DS、Sykes BD、Richards FM（1991年11月）。「核磁気共鳴化学シフトとタンパク質二次構造の関係」。Journal of Molecular Biology。222（2）：311–33。doi ：10.1016 /0022-2836（91）90214- Q。PMID 1960729 。
^ Spera, Silvia; Bax, Ad (1991). 「タンパク質骨格構造とCαおよびCβ13C^核磁気共鳴化学シフト間の経験的相関」アメリカ化学会誌. 113 (14): 5490–2. doi :10.1021/ja00014a071. INIST 5389018.
^ Eghbalnia HR、Wang L、Bahrami A、Assadi A、Markley JL (2005 年 5 月)。「NMR 化学シフトによるタンパク質のエネルギー構造解析 (PECAN) と二次構造要素の決定におけるその利用」。Journal of Biomolecular NMR。32 ( 1): 71–81。doi : 10.1007 /s10858-005-5705-1。PMID 16041485。S2CID 31769093 。
^ Wang Y、 Jardetzky O (2002年4月)。「NMR化学シフトデータを組み合わせた確率ベースのタンパク質二次構造同定」。タンパク質 科学。11 ( 4):852–61。doi : 10.1110/ps.3180102。PMC 2373532。PMID 11910028。
^ Hung LH、Samudrala R (2003年2 月)。「PsiCSI によるタンパク質二次構造の正確かつ自動分類」。タンパク質科学。12 (2): 288–95。doi :10.1110/ps.0222303。PMC 2312422。PMID 12538892。
^ Labudde D、Leitner D、 Krüger M、Oschkinat H (2003 年 1 月)。「化学シフトを使用したタンパク質の二次構造によるアミノ酸タイプの予測アルゴリズム (PLATON)」。Journal of Biomolecular NMR。25 ( 1): 41–53。doi : 10.1023 / A :1021952400388。PMID 12566998。S2CID 11900013 。
^ Wang CC、Chen JH、Lai WC、Chuang WJ (2007 年 5 月)。「2DCSi: NMR 化学シフトの 2D クラスター分析を使用したタンパク質の二次構造と酸化還元状態の特定」。Journal of Biomolecular NMR。38 ( 1): 57–63。doi :10.1007/s10858-007-9146- x。PMID 17333485。S2CID 20041621 。
^ Johnson BA 、Blevins RA (1994 年 9 月)。「NMR View: NMR データの視覚化と分析のためのコンピュータプログラム」。Journal of Biomolecular NMR。4 ( 5): 603–14。doi : 10.1007 /BF00404272。PMID 22911360。S2CID 32728461。
^ Wishart DS、Arndt D、Berjanskii M、Tang P、Zhou J、Lin G (2008 年 7 月)。「CS23D: NMR 化学シフトと配列データを使用した高速タンパク質構造生成用 Web サーバー」。Nucleic Acids Research。36 ( Webサーバー号): W496–502。doi :10.1093/ nar /gkn305。PMC 2447725。PMID 18515350。
^ Berjanskii MV、Wishart DS (2007 年 7 月)。「RCI サーバー: 化学シフトを使用したタンパク質柔軟性の迅速かつ正確な計算」。核酸研究。35 (Web サーバー号): W531–7。doi : 10.1093 / nar /gkm328。PMC 1933179。PMID 17485469 。
^ Berjanskii MV、Neal S、 Wishart DS (2006 年 7 月)。「PREDITOR: タンパク質のねじれ角の制約を予測する Web サーバー」。Nucleic Acids Research。34 ( Webサーバー号): W63–9。doi : 10.1093/nar/gkl341。PMC 1538894。PMID 16845087。
^ Wang B、Wang Y、 Wishart DS (2010年6 月)。「タンパク質 NMR 化学シフト割り当てを検証するための確率的アプローチ」。Journal of Biomolecular NMR。47 ( 2): 85–99。doi : 10.1007 /s10858-010-9407-y。PMID 20446018。S2CID 22564072。

外部リンク

RCIウェブサーバー経由のCSI計算
Preditor ウェブサーバー経由の CSI 計算
Linux/Unix 用のスタンドアロン CSI プログラム
Shiftcor による CSI 計算のための化学シフトの再参照
PANAVによるCSI計算のための化学シフトの再参照

[W1-1] ^ Wishart DS、Sykes BD 、Richards FM (1992 年 2 月)。「化学シフト指数: NMR 分光法によるタンパク質二次構造の割り当てのための高速かつ簡単な方法」。生化学。31 ( 6 ) : 1647–51。CiteSeerX 10.1.1.539.2952。doi : 10.1021 / bi00121a010。PMID 1737021。

[W2-2] Wishart, David S. ; Sykes, Brian D. (1994). 「¹³ C 化学シフト指数: ¹³ C 化学シフトデータを使用したタンパク質二次構造の識別のための簡単な方法」Journal of Biomolecular NMR . 4 (2): 171–80. doi :10.1007/BF00175245. PMID 8019132. S2CID 42323147.

[W3-3] Wishart DS、Case DA (2001)。「高分子構造決定における化学シフトの利用」。生体高分子の核磁気共鳴パート A。酵素学の方法。第 338 巻。pp . 3–34。doi :10.1016/s0076-6879(02) 38214-4。ISBN 9780121822392. PMID 11460554。

[W4-4] Mielke SP、Krishnan VV (2009 年 4 月)。「NMR 化学シフトによるタンパク質二次構造の特徴付け」。核磁気共鳴分光法の進歩。54 (3–4): 141–165。Bibcode :2009PNMRS..54..141M。doi : 10.1016 / j.pnmrs.2008.06.002。PMC 2766081。PMID 20160946。

[W5-5] Wishart DS (2011年2月). 「タンパク質化学シフトデータの解釈」.核磁気共鳴分光法の進歩. 58 (1–2): 62–87. Bibcode :2011PNMRS..58...62W. doi :10.1016/j.pnmrs.2010.07.004. PMID 21241884.

[W6-6] ^ Markley JL、Meadows DH 、 Jardetzky O (1967年7月)。「ポリアミノ酸のヘリックス-コイル遷移の核磁気共鳴研究」。Journal of Molecular Biology。27 ( 1): 25–40。doi : 10.1016 /0022-2836(67)90349-X。PMID 6033611 。

[W7-7] Clayden, NJ; Williams, RJP (1982). 「ペプチドグループシフト」. Journal of Magnetic Resonance . 49 (3): 383. Bibcode :1982JMagR..49..383C. doi :10.1016/0022-2364(82)90252-9.

[W8-8] ^ Pardi A 、 Wagner G、Wüthrich K (1983年12月)。「タンパク質の立体配座とプロトン核磁気共鳴化学シフト」。European Journal of Biochemistry。137 ( 3): 445–54。doi : 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07848.x。PMID 6198174。

[W9-9] Wishart DS、Sykes BD、Richards FM（1991年11月）。「核磁気共鳴化学シフトとタンパク質二次構造の関係」。Journal of Molecular Biology。222（2）：311–33。doi ：10.1016 /0022-2836（91）90214- Q。PMID 1960729 。

[W10-10] Spera, Silvia; Bax, Ad (1991). 「タンパク質骨格構造とCαおよびCβ13C^核磁気共鳴化学シフト間の経験的相関」アメリカ化学会誌. 113 (14): 5490–2. doi :10.1021/ja00014a071. INIST 5389018.

[W11-11] Eghbalnia HR、Wang L、Bahrami A、Assadi A、Markley JL (2005 年 5 月)。「NMR 化学シフトによるタンパク質のエネルギー構造解析 (PECAN) と二次構造要素の決定におけるその利用」。Journal of Biomolecular NMR。32 ( 1): 71–81。doi : 10.1007 /s10858-005-5705-1。PMID 16041485。S2CID 31769093 。

[W12-12] ^ Wang Y、 Jardetzky O (2002年4月)。「NMR化学シフトデータを組み合わせた確率ベースのタンパク質二次構造同定」。タンパク質 科学。11 ( 4):852–61。doi : 10.1110/ps.3180102。PMC 2373532。PMID 11910028。

[W13-13] Hung LH、Samudrala R (2003年2 月)。「PsiCSI によるタンパク質二次構造の正確かつ自動分類」。タンパク質科学。12 (2): 288–95。doi :10.1110/ps.0222303。PMC 2312422。PMID 12538892。

[W14-14] ^ Labudde D、Leitner D、 Krüger M、Oschkinat H (2003 年 1 月)。「化学シフトを使用したタンパク質の二次構造によるアミノ酸タイプの予測アルゴリズム (PLATON)」。Journal of Biomolecular NMR。25 ( 1): 41–53。doi : 10.1023 / A :1021952400388。PMID 12566998。S2CID 11900013 。

[W15-15] Wang CC、Chen JH、Lai WC、Chuang WJ (2007 年 5 月)。「2DCSi: NMR 化学シフトの 2D クラスター分析を使用したタンパク質の二次構造と酸化還元状態の特定」。Journal of Biomolecular NMR。38 ( 1): 57–63。doi :10.1007/s10858-007-9146- x。PMID 17333485。S2CID 20041621 。

[W16-16] ^ Johnson BA 、Blevins RA (1994 年 9 月)。「NMR View: NMR データの視覚化と分析のためのコンピュータプログラム」。Journal of Biomolecular NMR。4 ( 5): 603–14。doi : 10.1007 /BF00404272。PMID 22911360。S2CID 32728461。

[W17-17] Wishart DS、Arndt D、Berjanskii M、Tang P、Zhou J、Lin G (2008 年 7 月)。「CS23D: NMR 化学シフトと配列データを使用した高速タンパク質構造生成用 Web サーバー」。Nucleic Acids Research。36 ( Webサーバー号): W496–502。doi :10.1093/ nar /gkn305。PMC 2447725。PMID 18515350。

[W18-18] Berjanskii MV、Wishart DS (2007 年 7 月)。「RCI サーバー: 化学シフトを使用したタンパク質柔軟性の迅速かつ正確な計算」。核酸研究。35 (Web サーバー号): W531–7。doi : 10.1093 / nar /gkm328。PMC 1933179。PMID 17485469 。

[W19-19] ^ Berjanskii MV、Neal S、 Wishart DS (2006 年 7 月)。「PREDITOR: タンパク質のねじれ角の制約を予測する Web サーバー」。Nucleic Acids Research。34 ( Webサーバー号): W63–9。doi : 10.1093/nar/gkl341。PMC 1538894。PMID 16845087。

[W20-20] ^ Wang B、Wang Y、 Wishart DS (2010年6 月)。「タンパク質 NMR 化学シフト割り当てを検証するための確率的アプローチ」。Journal of Biomolecular NMR。47 ( 2): 85–99。doi : 10.1007 /s10858-010-9407-y。PMID 20446018。S2CID 22564072。