タンパク質化学シフトの再参照

タンパク質化学シフトの再参照は、割り当てられたNMR化学シフトをIUPACおよびBMRBが推奨するタンパク質化学シフト参照標準と一致するように調整する、割り当て後のプロセスです。NMR化学シフトは通常、NMRサンプルに溶解した内部標準を参照します。これらの内部標準には、テトラメチルシラン（TMS）、4,4-ジメチル-4-シラペンタン-1-スルホン酸（DSS）、トリメチルシリルプロピオネート（TSP）などがあります。タンパク質NMR分光法の場合、推奨される標準はDSSで、これはpHの変化に影響されません（TSPとは異なります）。さらに、DSS 1H信号は、簡単な比率計算を使用して13Cおよび15Nシフトを間接的に参照するために使用できます[1]。残念ながら、多くの生体分子NMR分光法の研究室では、 1H、13C、または15N「ゼロ点」化学シフト位置を決定するのに非標準的な方法を使用しています。この標準化の欠如により、異なる研究室間で同一のタンパク質の化学シフトを比較することが困難になっています。また、化学シフトを用いて二次構造を適切に同定・割り当てたり、化学シフトの改良によって3D構造を改善したりすることも困難です。化学シフトの再参照は、こうした参照エラーを修正し、研究室間でタンパク質の化学シフトの報告を標準化する手段となります。

生体分子NMRにおけるNMR化学シフト再参照の重要性

化学シフトの参照が不正確であることは、生体分子NMRにおいて特に深刻な問題です。[1] 13Cシフトの最大20% 、15Nシフトの最大35%が不適切に参照されていると推定されています。 [2] [3] [4]化学シフトに含まれる構造的および動的情報はしばしば非常に微妙であるため、タンパク質の化学シフトを適切に参照して、これらの微妙な違いを検出できるようにすることが重要です。基本的に、化学シフトの参照に関する問題は、化学シフトが絶対周波数測定ではなく相対周波数測定であるという事実に起因しています。化学シフトの参照に関する歴史的問題のため、化学シフトはおそらくNMR分光法全体の中で最も正確に測定できる一方で、最も正確に測定されていないパラメータです。[5] [3]

タンパク質化学シフト再参照プログラム

生体分子NMRにおける化学シフト参照の問題は重大かつ深刻であるため、この問題を軽減するためのコンピュータプログラムが数多く開発されてきた（概要については表1を参照）。生体分子NMRにおける化学シフトの誤参照を包括的に解決した最初のプログラムはSHIFTCORであった。[2]

表1. さまざまな化学シフト再参照および誤割り当て検出プログラムの概要と比較。 [5]

プログラム [参考] シフト再参照を検出または実行する 重大な割り当てエラーを検出します 微妙な割り当てエラーを検出します 割り当てエラーと参照エラーを区別する 3D構造が必要
チェックシフト[6] [7] はい いいえ いいえ いいえ いいえ
AVS [8] いいえ はい いいえ いいえ いいえ
LACS [4] [9] はい 時々 いいえ いいえ いいえ
PSSI [10] はい いいえ いいえ いいえ いいえ
シフトコル[2] はい はい 時々 はい はい
パナブ[11] はい はい はい はい いいえ

SHIFTCOR: 構造ベースの化学シフト補正プログラム

SHIFTCOR は、統計的手法を使用して、実験的に測定された化学シフトの入力セットに対する予測 NMR 化学シフト (タンパク質の 3D 構造から導出) を比較して補正する、自動化されたタンパク質化学シフト補正プログラムです。SHIFTCOR は、いくつかの単純な統計的アプローチと事前に決定されたカットオフ値を使用して、潜在的な参照、割り当て、およびタイプミスを特定して補正します。SHIFTCOR は、観測されたバックボーン(1Hα、13Cα、13Cβ、13CO、15N、および 1HN) シフトの各セットの平均値とそれに対応する予測化学シフトの差を比較することにより、潜在的な化学シフト参照の問題を特定します。これら 2 つの平均値の差に基づいて、核固有の化学シフトオフセットまたは参照補正 (つまり、1H用、 13C用、および 15N 用に 1 つ) が生成されます。特定の極端な外れ値がこれらの平均オフセット値に過度の偏りを生じさせないようにするために、観測されたシフトの平均は、潜在的な誤割り当てやタイプミスを除外した後にのみ計算されます。[2]

SHIFTCOR出力

SHIFTCORは、各核の化学シフトオフセットまたは差異を生成し、報告します。結果には、化学シフト解析（潜在的な誤割り当てのリスト、推定参照誤差、計算された参照オフセットの推定誤差（95%信頼区間）、適用または推奨された参照オフセット、相関係数、RMSD値を含む）と、補正されたBMRB形式の化学シフトファイルが含まれます（詳細は図1を参照）。[2]

SHIFTCORは、化学シフト計算プログラムSHIFTX [12]を用いて、解析対象タンパク質の3D構造座標に基づいて1Hα、13Cα、15Nシフトを予測します。予測シフトと観測シフトを比較することで、SHIFTCORは化学シフト参照オフセットと潜在的な誤割り当てを正確に特定することができます。SHIFTCORアプローチの主な制約は、化学シフト参照オフセットを評価するために標的タンパク質の3D構造が必要であることです。化学シフトの割り当ては通常、構造が決定される前に行われるため、構造に依存しないアプローチの開発が必要であることがすぐに認識されました。[5]

構造非依存の化学シフト補正プログラム

解析対象タンパク質の二次構造情報（ 1Hまたは13Cシフトによる推定値、あるいは配列による予測値）を利用する手法がいくつか開発されています。これらのプログラムには、PSSI、 [10]、CheckShift、[6] [7]、 LACS、[4] [9] 、PANAV [11]などがあります。PANAV <[1]> とCheckShiftはどちらもウェブサーバーとしても利用可能です。

PSSIおよびPANAVプログラムは、1Hシフトによって決定される二次構造（誤参照されることはほとんどない）を用いて、標的タンパク質の13Cおよび15Nシフトを1H由来の二次構造と一致するように調整します。LACSは、13Cα二次シフトと13Cβ二次シフトの差を、13Cα二次シフトまたは13Cβ二次シフトに対してプロットすることで、参照オフセットを決定します。LACSの最新バージョンは、15N化学シフトの誤参照を識別できるように改良されています。[4]この新しいバージョンのLACSは、15N二次シフトと、先行する残基の13Cαおよび13Cβ二次シフトとの間のよく知られた関係を利用しています。[3] LACSやPANAV/PSSIとは対照的に、CheckShiftはPSIPRED [13]などの高性能二次構造予測プログラムから予測された二次構造を使用して、13Cおよび15N化学シフトを繰り返し調整し、それらの二次シフトが予測された二次構造と一致するようにします。これらのプログラムはすべて、誤って参照されたタンパク質化学シフトを正確に識別し、BMRBに登録されているタンパク質化学シフトを適切に再参照することが示されています。[7] [11] LACSとCheckShiftはどちらも13Cαシフトと13Cβシフトに常に同じオフセットを予測するようにプログラムされていますが、PSSIとPANAVはこのような仮定を行っていないことに注意してください。一般的な規則として、PANAVとPSSIは通常、計算された参照オフセットの広がり（または標準偏差）が小さく、これらのプログラムがLACSまたはCheckShiftよりもわずかに正確であることを示しています。 LACSもCheckShiftも、非常に大きな（40ppm以上）参照オフセットを持つタンパク質を扱うことができませんが、PANAVとPSSIは、このような異常なタンパク質を扱うことができるようです。[11]

最近の研究[11]では、化学シフト再参照プログラム（PANAV）を、割り当てられた化学シフトの80%以上の割合で、堅牢な化学シフト参照補正を実行するのに十分なBMRBエントリ2421件に対して実行しました。13Cαシフトのオフセットが1.0 ppmを超えるエントリは243件、13Cβシフトのオフセットが1.0 ppmを超えるエントリは238件、13C'シフトのオフセットが1.0 ppmを超えるエントリは200件、15Nシフトのオフセットが1.5 ppmを超えるエントリは137件でした。この研究から、BMRBエントリの19.7%が誤って参照されていることが判明しました。明らかに、化学シフト参照は、生体分子NMRコミュニティにとって依然として重要であり、未解決の問題です。[5] [11]

参照

参考文献

  1. ^ Wishart, DS ; Bigam CG; Yao J; Abildgaard F; et al. (1995). 「生体分子NMRにおける1H、13C、15N化学シフト参照」. Journal of Biomolecular NMR . 6 (2): 135– 40. doi :10.1007/bf00211777. PMID  8589602. S2CID  12534280.
  2. ^ abcde Zhang, H; Neal, S. & Wishart, DS (2003年3月). 「RefDB: 統一的に参照されたタンパク質化学シフトのデータベース」. J. Biomol. NMR . 25 (3): 173– 195. doi :10.1023/A:1022836027055. PMID  12652131. S2CID  12786364.
  3. ^ abc 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法 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。
  4. ^ abcd Wang, L; Markley JL (2009). 「タンパク質骨格15Nと13Cの二次化学シフト間の経験的相関と窒素化学シフトの再参照への応用」Journal of Biomolecular NMR . 44 (2): 95– 99. doi :10.1007/s10858-009-9324-0. PMC 2782637 . PMID  19436955.  
  5. ^ 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.
  6. ^ ab Ginzinger, SW; Gerick F; Coles M; Heun V (2007). 「CheckShift: 不一致な化学シフト参照の自動修正」Journal of Biomolecular NMR . 39 (3): 223– 227. doi :10.1007/s10858-007-9191-5. PMID  17899394. S2CID  42088330.
  7. ^ abc Ginzinger, SW; Skocibusić M; Heun V (2009). 「CheckShiftの改良：高精度な高速化学シフト参照補正」Journal of Biomolecular NMR . 44 (4): 207– 211. doi :10.1007/s10858-009-9330-2. PMID  19575298. S2CID  43883142.
  8. ^ Moseley, NH; Sahota G; Montelione TG (2004年7月). 「タンパク質共鳴帰属データの評価と提示のための帰属検証ソフトウェアスイート」. Journal of Biomolecular NMR . 28 (4): 341– 355. doi :10.1023/B:JNMR.0000015420.44364.06. PMID  14872126. S2CID  14483199.
  9. ^ ab Wang, L; Eghbalnia HR; Bahrami A; Markley JL (2005年5月). 「炭素13化学シフト差の線形解析と、その参照およびスピンシステム同定におけるエラーの検出と修正への応用」. Journal of Biomolecular NMR . 32 (1): 13– 22. doi :10.1007/s10858-005-1717-0. PMID  16041479. S2CID  33690078.
  10. ^ ab Wang, Y; Wishart DS (2005). 「タンパク質の13Cおよび15N化学シフトの不一致な参照を修正する簡単な方法」Journal of Biomolecular NMR . 31 (2): 143– 148. doi :10.1007/s10858-004-7441-3. PMID  15772753. S2CID  21209202.
  11. ^ abcdef Wang, B; Wang Y (2010). 「タンパク質NMR化学シフト帰属の検証の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.
  12. ^ Neal, S; Nip AM; Zhang H; Wishart DS (2003年7月). 「タンパク質の1H、13C、15N化学シフトの迅速かつ正確な計算」. Journal of Biomolecular NMR . 26 (3): 215– 240. doi :10.1023/A:1023812930288. PMID  12766419. S2CID  29425090.
  13. ^ McGuffin, LJ; Bryson K; Jones DT (2000). 「PSIPREDタンパク質構造予測サーバー」.バイオインフォマティクス. 16 (4): 404– 405. doi : 10.1093/bioinformatics/16.4.404 . PMID  10869041.

一般的な参考文献

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  • Wishart, DS; Sykes B (1994). 「C-13化学シフト指数 - C-13化学シフトデータを用いたタンパク質二次構造同定のための簡便法」Journal of Biomolecular NMR . 4 (2): 171– 180. doi :10.1007/BF00175245. PMID  8019132. S2CID  42323147.
  • Osapay, K; Case DA (1994). 「タンパク質の規則的二次構造におけるプロトン化学シフトの解析」. Journal of Biomolecular NMR . 4 (2): 215– 230. doi :10.1007/bf00175249. PMID  8019135. S2CID  33487411.
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  • Moseley, HN; Sahota G; Montelione GT (2004). 「タンパク質共鳴帰属データの評価と提示のための帰属検証ソフトウェアスイート」. Journal of Biomolecular NMR . 28 (4): 341– 355. doi :10.1023/B:JNMR.0000015420.44364.06. PMID  14872126. S2CID  14483199.
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