タンパク質接触マップ

タンパク質接触マップは、 2次元の 2 次元行列を使用して、3次元タンパク質構造のすべての可能なアミノ酸残基ペア間の距離を表します。2 つの残基 と について、2つの残基が所定のしきい値よりも近い場合は行列の要素は 1 になり、そうでない場合は 0 になります。さまざまな接触定義が提案されています。しきい値が 6-12 Åの C _α -C _α原子間の距離、しきい値が 6-12 Å の C _β -C _β原子間の距離 (C _αはグリシンに使用されます)、および側鎖の質量中心間の距離です。 ${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$${\displaystyle ij}$

コンタクトマップは、タンパク質構造の完全な3D原子座標よりも簡略化された表現を提供します。コンタクトマップの利点は、回転や並進に対して不変であることです。機械学習法によって簡単に予測できます。また、特定の状況（たとえば、誤って予測された接触の含有量が少ない場合）では、コンタクトマップを使用してタンパク質の3D座標を再構築できることも示されています。^{[1] [2]}

コンタクトマップは、タンパク質の重ね合わせやタンパク質構造の類似性を記述するためにも使用されます。^{[3]コンタクトマップは、}タンパク質配列から予測されるか、与えられた構造から計算されます。

ゲノム配列が大量に利用可能になることで、共進化残基についてそのような配列を解析することが可能になった。このアプローチの有効性は、タンパク質の位置iの変異は、両方の位置が機能的に結合している場合（例えば、酵素ドメインに参加している、折りたたまれたタンパク質で隣接している、またはそのタンパク質のオリゴマーで隣接しているなど）、位置iの復帰変異よりも位置jの変異と関連する可能性が高いという事実に起因している。^[4]

多重配列アライメントからこのような結合残基ペアを抽出するための統計的手法はいくつか存在する：残基ペアの観測頻度と期待頻度（OMES）^[5]、マクラクラン置換相関（McBASC）^{[6] 、} 統計的結合分析、相互情報量（MI）に基づく方法^[7] 、そして最近では直接結合分析（DCA）^{[8] [9] 。}

機械学習アルゴリズムは、特に非相同タンパク質（すなわち浅いMSA）に対するMSA分析方法を強化することができました。^[10]

予測接触マップは、ヘリックス-ヘリックス相互作用を標的とした膜タンパク質の予測に使用されている。^[11]

タンパク質の構造と動的挙動の関係を知ることは、タンパク質の機能を理解する上で不可欠です。タンパク質の3次元構造を水素結合相互作用のネットワークとして記述する手法（HBプロット）^[12]は、タンパク質の構造と機能を探るツールとして導入されました。三次相互作用のネットワークを解析することで、タンパク質内での情報の広がりを調査することができます。

HB プロットは、タンパク質の二次構造と三次構造を分析する簡単な方法を提供します。二次構造要素を安定化する水素結合(二次水素結合) と離れたアミノ酸残基間に形成される水素結合 (三次水素結合として定義) は、HB プロットで簡単に区別できるため、タンパク質の構造と機能の安定化に関与するアミノ酸残基を特定できます。

プロットは、主鎖間、主鎖間、側鎖間、側鎖間の水素結合相互作用を区別します。アミノ酸残基間の分岐水素結合と多重水素結合、および鎖内および鎖間水素結合もプロットに表示されます。水素結合の 3 つのクラスは、短い水素結合 (ドナーとアクセプター間の距離が 2.5 Å未満)、中程度の水素結合 (2.5 Å から 3.2 Å の間)、および長い水素結合 (3.2 Å を超える) で色分けされて区別されます。

HB プロットの表現では、二次構造要素の特徴的なパターンを次のように簡単に認識できます。

1. らせんは、対角線に直接隣接するストリップとして識別できます。
2. 反平行ベータシートは、HB プロットでは交差対角線として表示されます。
3. 平行ベータシートは、HB プロットでは対角線に平行として表示されます。
4. ループは、交差対角のベータシートモチーフ間の対角線の切れ目として現れます。

シトクロムP450 (P450)は、生体異物を代謝する膜結合型ヘム含有酵素であり、分子状酸素と NADPH シトクロム P450 還元酵素からの電子を使用して基質を酸化します。シトクロム P450 ファミリーのメンバーである CYP2B4 は、このファミリー内で、開いた状態 11 と閉じた状態 12 の両方のX 線構造が公開されている唯一のタンパク質です。CYP2B4 構造の開いた構造と閉じた構造を比較すると、2 つの状態の間で大規模な立体配座の再編成が明らかになっており、リガンドのない状態では広く開いており、リガンドが結合すると閉じる残基 215-225 の周囲と、ヘムに近いループ C の周囲の領域で最も大きな立体配座の変化が見られます。

CYP2B4 の閉じた状態と開いた状態の HB プロットを調べると、三級水素結合の再配置がシトクロム P450触媒サイクルに関する現在の知識と非常によく一致していることが明らかになりました。

P450触媒サイクルの最初のステップは、基質結合として特定されます。入口付近のリガンドの予備結合により、CYP2B4 のオープン フォームの水素結合 S212-E474、S207-H172 が切断され、HB プロットが示すように、入口がクローズ フォームに固定される水素結合 E218-A102、Q215-L51 が形成されます。

2 番目のステップは、電子伝達鎖を介してNADPHから最初の電子を伝達することです。電子伝達では、構造変化が起こり、P450 と NADPH シトクロム P450 還元酵素の相互作用を引き起こします。S128-N287、S128-T291、L124-N287 間の水素結合が切断され、NADPH シトクロム P450 還元酵素結合部位で S96-R434、A116-R434、R125-I435、D82-R400 が形成されます (HB プロットに見られるように)。これにより、CYP2B4 が構造状態に変換され、NADPH シトクロム P450 還元酵素の結合が起こります。

3 番目のステップでは、酸素は閉じた状態、つまり新しく形成された水素結合 S176-T300、H172-S304、N167-R308 が酸素分子とまったく同じサイズと形状のトンネルを開く状態で CYP2B4 に入ります。

リポカリンファミリーは、小さな疎水性分子輸送体 としての機能を持つ、大きく多様なタンパク質ファミリーです。β-ラクトグロブリンは、リポカリンファミリーの典型的なメンバーです。β-ラクトグロブリンは、レチノールや脂肪酸などの疎水性リガンドの輸送に役割を果たすことがわかりました。^[13]その結晶構造は、さまざまなリガンドとリガンドフリーの形で決定されました[例: Qin、1998]。これまでに決定された結晶構造は、典型的なリポカリンが、疎水性リガンドが結合する円錐形の中央空洞を形成するように配置された 8 本の鎖の逆平行- バレルを含むことを明らかにしています。β-ラクトグロブリンの構造は、タンパク質の中央空洞を持つバレル型構造に、26、35、63、87、および 111 付近を中心とする 5 つの β ループに囲まれた「入り口」があり、リガンド結合中に構造変化を起こして空洞を閉じることを明らかにしています。

β-ラクトグロブリンの全体的な形状は、リポカリンファミリーの特徴です。^[要出典] αヘリックスが存在しない場合、主対角線はほとんど消え、 βシートを表す交差対角線がプロットの大部分を占めます。プロットには比較的少数の三次水素結合が見られ、3つの高密度領域があり、そのうちの1つは残基63付近のループに接続され、2つ目は87付近のループに接続され、3つ目は領域26と35に接続されています。111付近の5番目のループは、HBプロットで1つの三次水素結合のみで表されます。

3 次元構造では、三次水素結合は (1) 入口近くで形成され、リガンド結合時の立体配座再配置に直接関与します。また、(2) 「バレル」の底で形成されます。ベータ ラクトグロブリンのオープン フォームとクローズ フォームの HB プロットは非常に類似しており、両方のフォームですべての固有のモチーフを認識できます。オープン フォームとリガンド結合フォームの HB プロットの違いは、三次水素結合パターンの重要な個別の変化をほとんど示していません。特に、クローズ フォームでの Y20-E157 と S21-H161 間の水素結合の形成は、立体配座再配置に決定的な影響を与える可能性があります。これらの水素結合はキャビティの底にあります。これは、リガンドがキャビティの底に到達し、R123-Y99、R123-T18、および V41-Q120 の水素結合を切断したときに、リポカリンの入口の閉鎖が開始されることを示唆しています。リポカリンは、配列の類似性は非常に低いものの、構造の類似性は高いことが知られています。^[要出典]唯一保存されている領域は、役割が不明な 20 と 160 付近の領域です。

• ラマチャンドラン計画
• 回路トポロジー
• タンパク質の構造分類
• キャス
• HBプロット
• ドットプロット（バイオインフォマティクス）
• 自己相似行列

• DISTILL — タンパク質構造特性の予測（タンパク質残基接触マップを含む）
• 構造プロテオミクスツール - アミノ酸接触マップを含む
• ProfCon — 残基間接触の予測
• TMHcon — 膜タンパク質の膜貫通部分におけるヘリックス-ヘリックス接触の予測
• TMhit — 残基の接触に基づく新しい膜貫通ヘリックス-ヘリックス相互作用予測法^{[リンク切れ‍ ]}
• CMAPpro — タンパク質接触マップ予測サーバー
• [1] —タンパク質接触マップ可視化ツール