Индекс химического сдвига или CSI - это широко используемый метод в спектроскопии ядерного магнитного резонанса белков, который можно использовать для отображения и идентификации местоположения (т.е. начала и конца), а также типа вторичной структуры белка (бета-цепи, спирали и случайная спираль). областей), обнаруженных в белках с использованием только данных о химическом сдвиге остова [1] [2] Методика была изобретена доктором Дэвидом Вишартом в 1992 году для анализа химических сдвигов 1 Hα, а затем расширена им в 1994 году, чтобы включить сдвиги остова 13 C. Исходный метод CSI использует тот факт, что 1Химические сдвиги Hα аминокислотных остатков в спиралях имеют тенденцию смещаться в сильное поле (то есть в правую сторону спектра ЯМР) относительно их значений случайной катушки и в слабое поле (то есть в сторону левой стороны спектра ЯМР) в бета-цепях . Аналогичные виды тенденций увеличения / уменьшения также можно обнаружить в химических сдвигах 13 C в основной цепи .
Выполнение
CSI - это метод, основанный на графах, который, по сути, использует цифровой фильтр, специфичный для аминокислот, для преобразования каждого назначенного значения химического сдвига основной цепи в простой индекс с тремя состояниями (-1, 0, +1). Такой подход позволяет получить более понятный и более визуально приятный график значений химического сдвига белков. В частности, если химический сдвиг Hα 1 в сильном поле (относительно значения случайной катушки для конкретной аминокислоты) определенного остатка составляет> 0,1 ppm, то этому аминокислотному остатку присваивается значение -1. Точно так же, если химический сдвиг Hα 1 в слабом поле определенного аминокислотного остатка составляет> 0,1 ppm, то этому остатку присваивается значение +1. Если химический сдвиг аминокислотного остатка не сдвигается вниз или вверх на достаточную величину (т. Е. <0,1 ppm), ему присваивается значение 0. Когда этот индекс с 3 состояниями отображается в виде гистограммы по всей длине последовательность белка, простая проверка может позволить идентифицировать бета-нити (кластеры из +1 значений), альфа-спирали (кластеры из -1 значений) и случайные сегменты спирали (кластеры из 0 значений). Список специфичных для аминокислот случайных химических сдвигов спиралей для расчетов CSI приведен в таблице 1. Пример графика CSI для небольшого белка показан на рисунке 1 со стрелками, расположенными над черными полосами, указывающими расположение бета-цепей. и прямоугольная рамка, указывающая расположение спирали.
Аминокислота | Случайный сдвиг катушки 1 Hα (ppm) | Аминокислота | 1 Hα RC сдвиг случайный сдвиг катушки (ppm) |
---|---|---|---|
Ала (А) | 4,35 | Встреча (M) | 4,52 |
Цис (С) | 4,65 | Asn (N) | 4,75 |
Асп (D) | 4,76 | Pro (P) | 4,44 |
Клей) | 4,29 | Gln (Q) | 4,37 |
Phe (F) | 4,66 | Арг (R) | 4,38 |
Гли (G) | 3,97 | Сер (S) | 4,50 |
Его (H) | 4,63 | Thr (T) | 4,35 |
Иль (I) | 3,95 | Вал (В) | 3,95 |
Лис (К) | 4,36 | Trp (Вт) | 4,70 |
Лей (L) | 4,17 | Тюр (Y) | 4,60 |
Представление
Используя только химические сдвиги 1 Hα и простые правила кластеризации (кластеры из 3 или более вертикальных полос для бета-цепей и кластеры из 4 или более вертикальных полос для альфа-спиралей), CSI обычно дает точность 75-80% при идентификации вторичных структур. [2] [3] [4] [5] Эта производительность частично зависит от качества набора данных ЯМР, а также от метода (ручного или программного), используемого для идентификации вторичных структур белка. Как отмечалось выше, также был разработан согласованный метод CSI, который фильтрует изменения химического сдвига в сильное / слабое поле в атомах 13 Cα, 13 Cβ и 13 C 'аналогично сдвигу 1 Hα. [2] Консенсус CSI объединяет графики CSI из основных 1 H и 13 C химических сдвигов для создания единого графика CSI. Это может быть до 85-90% точности. [5]
История
Связь между химическими сдвигами протеинов и вторичной структурой протеинов (в частности, альфа-спиралями) была впервые описана Джоном Маркли и его коллегами в 1967 году. [6] С развитием современных методов двумерного ЯМР стало возможным измерять больше химических сдвигов протеина. Когда в начале 1980-х было назначено больше пептидов и белков, вскоре стало очевидно, что химические сдвиги аминокислот чувствительны не только к спиральным конформациям, но также и к конформациям β-цепей. В частности, вторичные химические сдвиги 1 Hα всех аминокислот демонстрируют четкую тенденцию к усилению поля при формировании спирали и очевидную тенденцию к понижению поля при формировании β-листов. [7] [8] К началу 1990-х годов было собрано достаточное количество назначений химических сдвигов 13 C и 15 N для пептидов и белков, чтобы определить, что аналогичные тенденции сильного / слабого поля были очевидны практически для всех основных цепей 13 Cα, 13 Cβ, Химические сдвиги 13 C ', 1 HN и 15 N (слабо). [9] [10] Именно эти довольно поразительные тенденции химического сдвига были использованы при разработке индекса химического сдвига.
Ограничения
Метод CSI не лишен недостатков. В частности, его производительность падает, если задания химического сдвига неверно указаны или неполны. Он также весьма чувствителен к выбору случайных сдвигов катушек, используемых для расчета вторичных сдвигов [5], и обычно определяет альфа-спирали (точность> 85%) лучше, чем бета-нити (точность <75%), независимо от выбора случайных катушек. сдвиги. [5] Кроме того, метод CSI не определяет другие типы вторичных структур, такие как β-витки. Из-за этих недостатков был предложен ряд альтернативных подходов, подобных CSI. К ним относятся: 1) метод прогнозирования, который использует статистически полученные потенциалы химического сдвига / структуры (PECAN); [11] 2) вероятностный подход к идентификации вторичной структуры (PSSI); [12] 3) метод, который объединяет предсказания вторичной структуры из данных последовательности и данных химического сдвига (PsiCSI), [13] 4) подход идентификации вторичной структуры, который использует заранее заданные образцы химического сдвига (PLATON) [14] и 5) метод двумерного кластерного анализа, известный как 2DCSi. [15] Производительность этих новых методов, как правило, немного лучше (2-4%), чем у исходного метода CSI.
Полезность
С момента его первоначального описания в 1992 году метод CSI использовался для характеристики вторичной структуры тысяч пептидов и белков. Его популярность во многом объясняется тем, что он прост для понимания и может быть реализован без использования специализированных компьютерных программ. Несмотря на то, что метод CSI можно легко выполнить вручную, ряд широко используемых программ обработки данных ЯМР, таких как NMRView, [16] веб-серверы создания структуры ЯМР, такие как CS23D [17], а также различные веб-серверы анализа данных ЯМР, такие как RCI , [18] Preditor [19] и PANAV [20] включили метод CSI в свое программное обеспечение.
Смотрите также
Рекомендации
- ↑ Wishart DS, Sykes BD, Richards FM (февраль 1992 г.). «Индекс химического сдвига: быстрый и простой метод определения вторичной структуры белка с помощью ЯМР-спектроскопии». Биохимия . 31 (6): 1647–51. CiteSeerX 10.1.1.539.2952 . DOI : 10.1021 / bi00121a010 . PMID 1737021 .
- ^ а б в Wishart, David S .; Сайкс, Брайан Д. (1994). «Индекс химического сдвига 13 C: простой метод идентификации вторичной структуры белка с использованием данных химического сдвига 13 C». Журнал биомолекулярного ЯМР . 4 (2): 171–80. DOI : 10.1007 / BF00175245 . PMID 8019132 .
- ^ Уишарт Д.С., Дело DA (2001). «Использование химических сдвигов в определении структуры макромолекул». Ядерный магнитный резонанс биологических макромолекул Часть A . Методы в энзимологии. 338 . С. 3–34. DOI : 10.1016 / s0076-6879 (02) 38214-4 . ISBN 9780121822392. PMID 11460554 .
- ^ Мильке С.П., Кришнан В.В. (апрель 2009 г.). «Характеристика вторичной структуры белка по химическим сдвигам ЯМР» . Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 54 (3–4): 141–165. DOI : 10.1016 / j.pnmrs.2008.06.002 . PMC 2766081 . PMID 20160946 .
- ^ а б в г Уишарт Д.С. (февраль 2011 г.). «Интерпретация данных химического сдвига белков». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 58 (1–2): 62–87. DOI : 10.1016 / j.pnmrs.2010.07.004 . PMID 21241884 .
- ^ Маркли JL, Медоуз DH, Jardetzky O (июль 1967). «Ядерно-магнитные резонансные исследования переходов спираль-клубок в полиаминокислотах». Журнал молекулярной биологии . 27 (1): 25–40. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (67) 90349-X . PMID 6033611 .
- ^ Клейден, штат Нью-Джерси; Уильямс, RJP (1982). «Сдвиги пептидных групп». Журнал магнитного резонанса . 49 (3): 383. Bibcode : 1982JMagR..49..383C . DOI : 10.1016 / 0022-2364 (82) 90252-9 .
- ^ Парди А., Вагнер Г., Вютрих К. (декабрь 1983 г.). «Белковая конформация и химические сдвиги протонного ядерного магнитного резонанса» . Европейский журнал биохимии . 137 (3): 445–54. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1983.tb07848.x . PMID 6198174 .
- ^ Wishart DS, Sykes BD, Richards FM (ноябрь 1991 г.). «Связь между химическим сдвигом ядерного магнитного резонанса и вторичной структурой белка». Журнал молекулярной биологии . 222 (2): 311–33. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (91) 90214-Q . PMID 1960729 .
- ^ Спера, Сильвия; Бакс, Ад (1991). «Эмпирическая корреляция между конформацией остова белка и химическими сдвигами ядерного магнитного резонанса Cα и Cβ 13 C». Журнал Американского химического общества . 113 (14): 5490–2. DOI : 10.1021 / ja00014a071 . ИНИСТ : 5389018 .
- ^ Эгбальна HR, Ван Л., Бахрами А., Ассади А., Маркли Дж. Л. (май 2005 г.). «Энергетический конформационный анализ белков по химическим сдвигам ЯМР (PECAN) и его использование для определения вторичных структурных элементов». Журнал биомолекулярного ЯМР . 32 (1): 71–81. DOI : 10.1007 / s10858-005-5705-1 . PMID 16041485 .
- ^ Ван И, Ярдецки О. (апрель 2002 г.). «Вероятностная идентификация вторичной структуры белка с использованием объединенных данных химического сдвига ЯМР» . Белковая наука . 11 (4): 852–61. DOI : 10.1110 / ps.3180102 . PMC 2373532 . PMID 11910028 .
- ^ Хунг Л.Х., Самудрала Р. (февраль 2003 г.). «Точная и автоматизированная классификация вторичной структуры белка с помощью PsiCSI» . Белковая наука . 12 (2): 288–95. DOI : 10.1110 / ps.0222303 . PMC 2312422 . PMID 12538892 .
- ^ Лабудде Д., Лейтнер Д., Крюгер М., Ошкинат Х (январь 2003 г.). «Алгоритм прогнозирования типов аминокислот с их вторичной структурой в белках (PLATON) с использованием химических сдвигов». Журнал биомолекулярного ЯМР . 25 (1): 41–53. DOI : 10,1023 / A: 1021952400388 . PMID 12566998 .
- ^ Ван СС, Чен Дж. Х., Лай В. К., Чуанг В. Дж. (Май 2007 г.). «2DCSi: идентификация вторичной структуры белка и окислительно-восстановительного состояния с использованием 2D кластерного анализа химических сдвигов ЯМР». Журнал биомолекулярного ЯМР . 38 (1): 57–63. DOI : 10.1007 / s10858-007-9146-х . PMID 17333485 .
- ^ Джонсон Б.А., Блевинс Р.А. (сентябрь 1994 г.). «Обзор ЯМР: компьютерная программа для визуализации и анализа данных ЯМР». Журнал биомолекулярного ЯМР . 4 (5): 603–14. DOI : 10.1007 / BF00404272 . PMID 22911360 .
- ^ Вишарт Д.С., Арндт Д., Берджанский М., Тан П, Чжоу Дж., Лин Дж. (Июль 2008 г.). «CS23D: веб-сервер для быстрого создания структуры белка с использованием химических сдвигов ЯМР и данных последовательности» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (выпуск веб-сервера): W496–502. DOI : 10.1093 / NAR / gkn305 . PMC 2447725 . PMID 18515350 .
- ^ Берьянский М.В., Вишарт Д.С. (июль 2007 г.). «Сервер RCI: быстрый и точный расчет гибкости белка с использованием химических сдвигов» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (выпуск веб-сервера): W531–7. DOI : 10.1093 / NAR / gkm328 . PMC 1933179 . PMID 17485469 .
- ^ Берьанский М.В., Нил С., Вишарт Д.С. (июль 2006 г.). «PREDITOR: веб-сервер для прогнозирования ограничений по торсионному углу белка» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (выпуск веб-сервера): W63–9. DOI : 10.1093 / NAR / gkl341 . PMC 1538894 . PMID 16845087 .
- ^ Ван Б., Ван И, Вишарт Д.С. (июнь 2010 г.). «Вероятностный подход для проверки назначений химического сдвига белка ЯМР». Журнал биомолекулярного ЯМР . 47 (2): 85–99. DOI : 10.1007 / s10858-010-9407-у . PMID 20446018 .
Внешние ссылки
- Расчет CSI через веб-сервер RCI http://randomcoilindex.com
- Расчет CSI через веб-сервер Preditor http://preditor.ca
- Автономная программа CSI для Linux / Unix http://www.bionmr.ualberta.ca/sykes/software/csi/latest/csi.html
- Ссылка на химический сдвиг для расчетов CSI от Shiftcor http://shiftcor.wishartlab.com/
- Ссылка на химический сдвиг для расчетов CSI с помощью PANAV https://web.archive.org/web/20140413150003/http://www.wishartlab.com/web_servers/panav