(1) LOOP DB 개발의 필요성
(2) LOOP DB 개발 목적
- 인간 유전정보가 담겨있는 DNA의 염기서열이 완성(2003. 4. 14.) : 유전자 및 단백질의 기능과 구조의 이해를 위한 연구의 필요가 더욱 증대되고 있음.
- 유전자 및 단백질 서열 정보 등 대량의 생물 정보의 효과적인 활용을 위해서는 단백질의 3차원 구조와 그 기능에 대한 DB구축 및 분석을 통해 난치성 질병에 대한 치료제 개발 및 질병 진단 등 생물정보의 활용성을 높이는 것이 Post-Genome 연구의 경쟁력 확보에 관건이 됨.
- 따라서 본 연구는 현재 알려진 단백질의 3차원 구조 DB를 분석하여 대량의 단백질 3차원 분자 구조를 예측하고 분석할 수 있는 연구의 기본이 되는 단백질 Loop 구조(helix 또는 β-strand가 아닌 단백질 2차 구조)의 분석 및 DB화를 통해 다양한 표적 단백질의 3차원 구조를 얻어내고자 하는 것임.
- 현재로서는 단백질의 3차원 구조 예측 및 모델링에서 사용할 Loop (helix 또는 β-strand 가 아닌 단백질 2차 구조) 구조에 대한 충분한 자료가 없는 실정임.
- 본 과제를 통해서 얻어지는 Loop DB 및 Loop 구조 탐색 프로그램들은 새로운 질병 표적 단백질의 구조를 효과적으로 예측하고 그 기능을 연구하는데 보다 정확한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대함.
- 현재까지 밝혀진 단백질의 3차원 구조 정보 (2003년 9월 현재, 약 2만개)를 이용하여 Loop DB를 구축하고, 단백질 Loop 구조의 체계적인 분류 및 분석.
- Loop DB를 이용하여 다수의 새로운 표적 단백질에 대한 3D 구조 예측 및 신약 개발 효율성 및 정확성 향상.
- 단백질 구조 예측 연구에서 Loop 부분의 모델링에 DB의 검색 결과 자료를 활용함으로써 다수의 표적 단백질에 대한 3차원 구조 모델링 결과의 정확성 향상.
- 보다 정확한 구조 예측을 통하여 신약개발등 관련 연구의 효율성 증가.
- 신규 타겟 단백질의 정확한 3차원 구조 예측.
- Genome Scale의 단백질 3차구조 모델링.
- Loop 모델링 프로그램 개발.
1. 단백질 구조 분류
(1) Standard LOOP DBSCOP (Structural Classification of Protein. 1.63 release) DB의 PDB 파일 분류와 domain 정보를 이용한 LOOP DB(2) Reference LOOP DBAstral DB (Less than 95% sequence identity of SCOP)의 PDB 파일 분류와 domain 정보를 이용한 LOOP DB
2. LOOP 파일의 생성
(1) 각 PDB 파일에서 SCOP(또는 Astral) DB에서 명시한 domain 부분만을 추출(2) Secondary structure assignment 프로그램(STRIDE)을 이용하여 각 단백질 domain의 2차구조를 설정
(3) 설정된 2차 구조를 바탕으로 2개 이상의 아미노산을 가진 loop region(turn, bridge, coil)을 loop로 선택하여 파일로 저장
3. LOOP DB의 구성
(1) LOOP file name(2) LOOP 파일의 구성
- 파일 이름 형식 :Class이름 _ Domain이름 _ 일련번호.pdb (ex : EE_d1af6a__3.pdb)
- Class 이름 : Loop의 좌우에 위치한 2차 구조의 형태 (E : Extand, H : Helix, G : 310-Helix)
- Domain이름 : SCOP DB에서 명시한 PDB domain
- 일련번호 : 각 domain에서 생성된 loop 파일의 일련번호
(3) DB의 구성ex : EE_d1f42a2_1.pdb 파일중 일부
- header : class, PDB 이름, 일련번호
- loop sequence (좌우 2차구조의 2개 아미노산 포함)
- Cα 탄소간의 거리(Å)
- STRIDE의 2차구조 설정 결과 (좌우 2차구조의 2개 아미노산 포함)
- PDB 포맷의 loop 구조 (좌우 2차구조의 2개 아미노산 포함)
REMARK 1 EE 1f42 1 REMARK 2 LOOP_SEQUENCE LK-DQKEPKNKTFL-RC REMARK 4 CA_DISTACE 11.2148 REMARK 5 |---Residue---| |--Structure--| |-Phi-| |-Psi-| |-Area-| REMARK 5 LEU A 95 8 E Strand -98.76 143.14 4.9 REMARK 5 LYS A 96 9 E Strand -80.56 143.76 64.7 REMARK 5 ASP A 97 10 C Coil -77.72 118.85 71.3 REMARK 5 GLN A 98 11 C Coil -73.80 -15.51 31.8 REMARK 5 LYS A 99 12 T Turn 52.33 -0.08 64.6 REMARK 5 GLU A 100 13 T Turn -57.87 -68.71 55.0 REMARK 5 PRO A 101 14 T Turn -71.65 -58.73 87.6 REMARK 5 LYS A 102 15 T Turn -163.47 68.94 83.4 REMARK 5 ASN A 103 16 T Turn 52.17 150.13 66.0 REMARK 5 LYS A 104 17 T Turn 57.11 39.93 71.3 REMARK 5 THR A 105 18 T Turn -111.63 103.70 28.2 REMARK 5 PHE A 106 19 T Turn -102.25 -27.73 34.6 REMARK 5 LEU A 107 20 T Turn -109.36 125.74 7.4 REMARK 5 ARG A 108 21 E Strand -116.70 116.46 82.3 REMARK 5 CYS A 109 22 E Strand -110.68 144.25 15.1 ATOM 740 N LEU A 95 31.302 23.864 -17.618 1.00 34.58 N ATOM 741 CA LEU A 95 31.157 24.182 -19.037 1.00 37.07 C ATOM 742 C LEU A 95 32.439 24.076 -19.820 1.00 40.29 C ATOM 743 O LEU A 95 33.515 24.466 -19.322 1.00 43.31 O ATOM 744 CB LEU A 95 30.599 25.586 -19.256 1.00 33.42 C ATOM 745 CG LEU A 95 29.339 26.003 -18.521 1.00 32.58 C ATOM 746 CD1 LEU A 95 28.980 27.399 -18.993 1.00 33.85 C ATOM 747 CD2 LEU A 95 28.237 25.022 -18.714 1.00 28.29 C
- N-terminal과 C-terminal방향의 2차구조에 따른 class 분류 (EE, EH, EG, HE, HH, HG, GE, GH, GG)
- 각 class별로 아미노산 개수에 의한 분류(2개 ~ 26개)
- 각 아미노산 개수에 의한 분류별로 Cα 탄소간의 거리(Å)에 의한 분류
1. Reference LOOP DB
(1) DB statistical information① Total No. of PDB File : 6134 (4files not exist, 49 files passed)(2) Amino acids in PDB② Total No. of SCOP Class : 2163
③ Total No. of Domain : 8720
④ Total No. of Loop File : 83701 (9.5987 files per domain)
⑤ Average Loop Length : 5.4381
⑥ Average Loop Distance : 10.3899Å
⑦ 각 class별 loop structure 갯수
EE EH EG HE HH HG GE GH GG Loop
Structure30364 11695 4940 13392 10382 3134 4712 3671 1411
(3) Loop structure distribution(4) Amino acids in loop at link point
- No. of amino acid distribution
- Ca distance distribution
- EE class
* position index- EH class
- EG class
- HE class
- HH class
- HG class
- GE class
- GH class
- GG class
2. Standard LOOP DB
(1) DB statistical information① Total No. of PDB File : 18974 (40 files not exist, 883 files passed)(2) Amino acids in PDB② Total No. of SCOP Class : 2392
③ Total No. of Domain : 49497
④ Total No. of Loop File : 506110 (10.2251 files per domain)
⑤ Average Loop Length : 5.4212
⑥ Average Loop Distance : 10.4176Å
⑦ 각 class별 loop structure 갯수
EE EH EG HE HH HG GE GH GG Loop
Structure176248 71448 31125 84467 61886 19805 28705 23612 8814
(3) Loop structure distribution(4) Amino acids in loop at link point
- No. of amino acid distribution
- Ca distance distribution
- EE class
- EH class
- EG class
- HE class
- HH class
- HG class
- GE class
- GH class
- GG class
(1) Main window(2) Class information(3) Loop structure informations(4) Loop structure alignment view
(1) DataBase 및 Class 선택(2) "View Class Info"를 이용한 DB search
- Main window의 Select DataBase항목의 DataBase에서 DB를 선택합니다
- LOOP REGION 양쪽의 2nd Structure를 이용하여 Class를 선택 합니다.
- "View Class Info"를 선택하면 선택된 class의 전체 loop structure의 개수를 볼수 있는 화면(Class information)으로 이동합니다.
- 선택된 DB와 class는 DataBase Search 항목의 "Class Search"와 "Sequence Search에 적용됩니다.
(3) DataBase Search (PDB code를 이용한 검색)
- Class information 화면에는 선택된 class의 이름과 정보가 표시됩니다. 가로는 loop를 구성하는 아미노산의 개수 이며 세로는 2차구조간의 Cα간의 거리(Å 단위)입니다. 또한 가로와 세로 방향의 loop structure의 합이 표시되어 있으며 class 전체의 loop structure 개수의 합이 표시됩니다. 원하는 항목을 선택하면 해당되는 loop structure의 정보 (loop structure informations)를 화면에 보여줍니다.
- Loop structure informations화면의 위에 보이는 그래프는 loop structure의 아미노산 위치에 따라 아미노산 종류별 통계를 나타낸 그래프입니다. 흰색은 해당 아미노산의 개수가 0임을 나타내며 개수가 많아짐에 따라 진한 색으로 표시됩니다.
- 또한 선택된 class 이름과 loop structure의 아미노산 개수, Cα간의 거리, 해당되는 loop structure의 개수가 표시되며 개별 loop structure의 이름, sequence, PDB 파일에서의 domain 이름과 고유번호, 정확한 Cα간의 거리가 표시됩니다. 원하는 loop structure의 이름을 선택하면 해당 loop structure를 3차원※으로 보여줍니다.
※ MDL Chime 3D viewer가 PC에 설치되어 있어야 합니다. viewer에 관한 자세한 사항은 MDL사의 web site(www.mdlchime.com)를 참조하십시요
- 원하는 loop structure를 선택(checkbox에서 선택)하고 "Align Selected Files"를 선택하면 선택된 loop structure의 alignment된 그림을 볼 수 있습니다.
- loop structure의 2차구조(좌우 2개씩 4개의 아미노산)만을 이용하여 alignment된 loop structure의 3차원 화면과 RMS value를 화면에 보여 줍니다.
(4) DataBase Search (class 또는 sequence를 이용한 검색)
- Main window의 DataBase Search항목의 PDB Code란에 4자리 PDB file code를 입력하고 "PDB Code Search"를 선택합니다.
- 이때 Select DataBase항목에서 이리 선택된 class에 관계없이 선택된 DB의 모든 class에서 입력한 PDB file로부터 생성된 loop structure를 검색하여 검색된 loop structure의 정보를 화면에 보여줍니다.
- "Class Search"는 No. of Amino Acids의 값과 Cα Distance의 범위를 입력 받아 Select DataBase항목에서 선택된 class내에서 해당 loop structure를 검색하여 loop structure informations 화면을 보여줍니다. (3가지 값을 반드시 입력해야 하며 Cα Distance는 이상 ~ 미만 범위로의 정수 또는 실수 값으로 입력받습니다.)
- "Sequence Search"는 Loop Sequence 항목에서 입력받은 sequence를 이용하여 Select DataBase항목에서 선택된 class내에서 Homology Search 또는 Exact Search 방법을 이용하여 해당 loop structure를 검색합니다.
- Homology Search(BlOSUM62 scoring matrix사용)는 입력한 sequence와 동일한 길이를 가지는 loop structure만을 검색하며 이때 Cα Distance의 범위를 입력하여 검색 범위를 제한할 수 있습니다. 검색 결과는 loop structure informations 화면으로 보여주며 이때 BLOSUM62의 score 값으로 정렬됩니다.
- Exact Search는 입력한 sequence를 포함하는 모든 길이의 loop structure를 검색하며 sequence를 입력할 때에 특수문자(*,?)를 사용하여 검색할 수 있습니다. Exact Search에서는 Cα Distance의 범위를 입력하여 검색 범위를 제한할 수 없습니다.
- H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne: The Protein Data Bank Nucleic Acids Research, 28 pp. 235-242 (2000)
- Murzin A. G., Brenner S. E., Hubbard T., Chothia C. (1995). SCOP : a structural classification of proteins database for the investigation of sequences and structures. J. Mol. Biol. 247, 536-540.
- Chandonia JM, Walker NS, Lo Conte L, Koehl P, Levitt M, Brenner SE. ASTRAL compendium enhancements. Nucleic Acids Research. 30, 260-263 (2002).
- D.Frishman & P.Argos, STRIDE : Knowledge-based secondary structure assignment, Proteins 23, 566-579, 1995