Молекулярная замена

Молекулярное замещение (MR) ^[1] — это метод решения фазовой проблемы в рентгеновской кристаллографии . MR опирается на существование ранее решенной структуры белка, которая похожа на нашу неизвестную структуру, из которой получены данные дифракции. Это может быть гомологичный белок или структура ЯМР белка с более низким разрешением того же белка. ^[2]

Первой целью кристаллографа является получение карты электронной плотности, которая связана с дифрагированной волной следующим образом:

\rho (x,y,z)={\frac {1}{V}}\sum _{h}\sum _{k}\sum _{\ell }|F_{hk\ell }|\exp(2\pi i(hx+ky+\ell z)+i\Phi (hk\ell )).

При использовании обычных детекторов измеряется интенсивность , а вся информация о фазе ( ) теряется. Тогда, при отсутствии фаз (Φ), мы не можем завершить показанное преобразование Фурье, связывающее экспериментальные данные рентгеновской кристаллографии (в обратном пространстве ) с электронной плотностью в реальном пространстве, в которое встроена атомная модель. MR пытается найти модель, которая наилучшим образом соответствует экспериментальным интенсивностям среди известных структур. $I=F\cdot F^{*}$ $\Фи$

Принципы молекулярной замены по Паттерсону

Мы можем вывести карту Паттерсона для интенсивностей, которая является межатомной векторной картой, созданной путем возведения в квадрат амплитуд структурных факторов и установки всех фаз в ноль. Эта векторная карта содержит пик для каждого атома, связанного с каждым другим атомом, с большим пиком в 0,0,0, где векторы, связывающие атомы с собой, «накапливаются». Такая карта слишком шумная, чтобы вывести какую-либо структурную информацию высокого разрешения — однако, если мы сгенерируем карты Паттерсона для данных, полученных из нашей неизвестной структуры и из структуры ранее решенного гомолога, в правильной ориентации и положении внутри элементарной ячейки , две карты Паттерсона должны быть тесно коррелированы. Этот принцип лежит в основе MR и может позволить нам вывести информацию об ориентации и местоположении неизвестной молекулы с ее элементарной ячейкой.

Из-за исторических ограничений вычислительной мощности поиск MR обычно делится на два этапа: вращение и перемещение .

Функция вращения

В функции вращения наша неизвестная карта Паттерсона сравнивается с картами Паттерсона, полученными из нашей известной гомологической структуры в разных ориентациях. Исторически для оценки функции вращения использовались r-факторы и/или коэффициенты корреляции , однако современные программы используют алгоритмы на основе максимального правдоподобия . Самая высокая корреляция (и, следовательно, оценки) получаются, когда две структуры (известная и неизвестная) находятся в схожей ориентации(ях) — затем их можно вывести в углах Эйлера или сферических полярных углах.

Функция перевода

В функции перевода теперь правильно ориентированная известная модель может быть правильно позиционирована путем перевода ее в правильные координаты в пределах асимметричной единицы. Это достигается путем перемещения модели, вычисления новой карты Паттерсона и сравнения ее с неизвестной полученной картой Паттерсона. Этот поиск методом грубой силы является вычислительно затратным, и теперь чаще используются быстрые функции перевода. Позиции с высокой корреляцией выводятся в декартовых координатах .

С использованиемde novoпредсказанные структуры в молекулярном замещении

Благодаря улучшению прогнозирования структуры белка de novo многие протоколы, включая MR-Rosetta, QUARK, AWSEM-Suite и I-TASSER-MR, могут генерировать множество ложных структур, подобных нативным, которые полезны для решения фазовой проблемы путем молекулярной замены. ^[3]

Следующий шаг

После этого у нас должны быть правильно ориентированные и переведенные модели фазирования, из которых мы можем вывести фазы, которые (надеюсь) достаточно точны для получения карт электронной плотности. Их можно использовать для построения и уточнения атомной модели нашей неизвестной структуры.

Ссылки

↑ Глава 10 в «Принципах рентгеновской кристаллографии белков», Ян Дрент (2-е изд.), Springer, 1999
^ Рамелот, ТА; Раман, С; Кузин, АП; Сяо, Р; Ма, ЛЦ; Актон, ТБ; Хант, Дж. Ф.; Монтелионе, ГТ; Бейкер, Д; Кеннеди, МА (апрель 2009 г.). «Улучшение качества структуры белка ЯМР с помощью уточнения Rosetta: исследование молекулярной замены». Белки . 75 (1): 147– 67. doi :10.1002/prot.22229. PMC 3612016 . PMID 18816799.
^ Jin, Shikai; Miller, Mitchell D.; Chen, Mingchen; Schafer, Nicholas P.; Lin, Xingcheng; Chen, Xun; Phillips, George N.; Wolynes, Peter G. (1 ноября 2020 г.). «Молекулярно-замещающая фазировка с использованием предсказанных структур белков из AWSEM-Suite». IUCrJ . 7 (6): 1168– 1178. doi : 10.1107/S2052252520013494 . PMC 7642774 . PMID 33209327.

Внешние ссылки

Phaser – одна из наиболее часто используемых программ молекулярной замены.
Molrep – Пакет молекулярной замены в CCP4
Статья Phaser на PDBe – полезное введение в тему, являющееся общественным достоянием.

[1] Глава 10 в «Принципах рентгеновской кристаллографии белков», Ян Дрент (2-е изд.), Springer, 1999

[2] Рамелот, ТА; Раман, С; Кузин, АП; Сяо, Р; Ма, ЛЦ; Актон, ТБ; Хант, Дж. Ф.; Монтелионе, ГТ; Бейкер, Д; Кеннеди, МА (апрель 2009 г.). «Улучшение качества структуры белка ЯМР с помощью уточнения Rosetta: исследование молекулярной замены». Белки . 75 (1): 147– 67. doi :10.1002/prot.22229. PMC 3612016 . PMID 18816799.

[3] Jin, Shikai; Miller, Mitchell D.; Chen, Mingchen; Schafer, Nicholas P.; Lin, Xingcheng; Chen, Xun; Phillips, George N.; Wolynes, Peter G. (1 ноября 2020 г.). «Молекулярно-замещающая фазировка с использованием предсказанных структур белков из AWSEM-Suite». IUCrJ . 7 (6): 1168– 1178. doi : 10.1107/S2052252520013494 . PMC 7642774 . PMID 33209327.