Кіріспе
когнитивтік ғылымдағы құрылымдық сәйкестендіру Молекулалық тізбектерді тізбектік және құрылымдық ақпаратты пайдалану арқылы сәйкестендіру. Құрылымдық сәйкестендіру екі немесе одан көп полимерлік құрылымдар арасындағы гомологияны олардың пішіні мен үш өлшемді конформациясына сүйене отырып орнатуға бағытталған. Бұл процесс көбінесе ақуыздың үшіншілік құрылымдарына қолданылады, бірақ ірі РНҚ молекулалары үшін де қолданылуы мүмкін. Екі құрылымның кем дегенде бір бөлігінде эквивалентті қалдықтары белгілі болатын қарапайым құрылымдық үйлестіруден айырмашылығы, құрылымдық сәйкестендіру эквивалентті жағдайлар туралы алдын ала білімді қажет етпейді. Құрылымдық сәйкестендіру – төмен деңгейде тізбектік ұқсастығы бар ақуыздарды салыстыру үшін құнды құрал, онда стандартты тізбектік сәйкестендіру әдістерімен ақуыздар арасындағы эволюциялық байланыстарды анықтау қиынға түседі. Сондықтан, құрылымдық сәйкестендіру өте аз ортақ тізбекке ие ақуыздар арасындағы эволюциялық қатынастарды болжау үшін қолданылуы мүмкін. Дегенмен, эволюциялық ортақ тектің дәлелі ретінде нәтижелерді пайдалануда сақтық таныту қажет, себебі конвергентті эволюцияның әсерінен бірнеше байланыссыз аминқышқыл тізбектері ортақ үшіншілік құрылымға жақындауы мүмкін. Құрылымдық сәйкестендіру екі немесе бірнеше тізбекті салыстыра алады. Бұл сәйкестендірулер барлық сұраныс тізбектерінің үш өлшемді конформациялары туралы ақпаратқа сүйенгендіктен, бұл әдіс тек осы құрылымдары белгілі тізбектерге ғана қолданылуы мүмкін. Бұл әдетте рентгендік кристаллография немесе ЯМР спектроскопиясы арқылы анықталады. Құрылымды болжау әдістерімен алынған құрылымдарға құрылымдық сәйкестендіруді жүргізу де мүмкін. Шындығында, мұндай болжамдарды бағалау үшін модельдің сапасын анықтау үшін модель мен нақты белгілі құрылым арасындағы құрылымдық сәйкестікті бағалау қажет. Есептеуді жеңілдету үшін бейнелеуді таңдау тиімді сәйкестендіру механизмін әзірлеу үшін маңызды.
Aligning molecular sequences using sequence and structural information
Structural alignment attempts to establish homology between two or more polymer structures based on their shape and three dimensional conformation. This process is usually applied to protein tertiary structures but can also be used for large RNA molecules. In contrast to simple structural superposition, where at least some equivalent residues of the two structures are known, structural alignment requires no a priori knowledge of equivalent positions. Structural alignment is a valuable tool for the comparison of proteins with low sequence similarity, where evolutionary relationships between proteins cannot be easily detected by standard sequence alignment techniques. Structural alignment can therefore be used to imply evolutionary relationships between proteins that share very little common sequence. However, caution should be used in using the results as evidence for shared evolutionary ancestry because of the possible confounding effects of convergent evolution by which multiple unrelated amino acid sequences converge on a common tertiary structure. Structural alignments can compare two sequences or multiple sequences. Because these alignments rely on information about all the query sequences' three dimensional conformations, the method can only be used on sequences where these structures are known. These are usually found by X ray crystallography or NMR spectroscopy. It is possible to perform a structural alignment on structures produced by structure prediction methods. Indeed, evaluating such predictions often requires a structural alignment between the model and the true known structure to assess the model's quality. Choosing a representation to facilitate computation is critical to developing an efficient alignment mechanism.
Әдістер
Құрылымдық сәйкестендіру әдістері жеке құрылымдарды немесе құрылымдар жиынтықтарын салыстыру үшін, сондай-ақ Ақуыздық деректер банкінде (АДБ) кездесетін әрбір құрылым жұбының арасындағы айырмашылықты өлшейтін "барлығы барлығымен" салыстыру деректер базаларын жасау үшін қолданылған. Мұндай деректер базалары ақуыздарды олардың қалыптасуы бойынша жіктеуге пайдаланылады.
ДАЛИ
Құрылымдық сәйкестендірудің кең таралған және танымал әдісі – DALI, яғни Арақашықтық матрицалық Сәйкестендіру әдісі. Ол кіріс құрылымдарын гексапептидтік фрагменттерге бөліп, тізбектелген фрагменттер арасындағы контактілік үлгілерді бағалау арқылы арақашықтық матрицасын есептейді. Ұқсастықты өлшеудің түрлі тәсілдері бар. CE әдісінің бастапқы анықтамасы құрылымдық суперпозициялар мен қалдықтар арасындағы қашықтықты ғана қамтыды, бірақ кейіннен екінші деңгейлі құрылым, еріткішпен байланыс, сутекті байланыс үлгілері және диэдралық бұрыштар сияқты жергілікті ортаның қасиеттері де қосылды. Бұл әдіс басқа әдістерден өзгеше мақсатты көздейді. Ол ең көп қалдықтарды мүмкіндігінше дәл үйлестіруге тырысудың орнына, кездейсоқ пайда болуы ең аз ықтимал құрылымдық сәйкестіктің кіші жиынтығын іздейді. Ол үшін жергілікті мотивтегі қалдықтарды қатаң критерийлерге бірдей сәйкес келетінін көрсету үшін маркерлейді: 1) Жергілікті құрылымның үстіне түсуі, 2) тұрақты екінші деңгейлі құрылым, 3) 3D суперпозиция, 4) бастапқы тізбектегі реттілік сақталуы. Бұл жоғары сенімділікпен сәйкес келетін қалдықтардың статистикасын және белок мөлшерін пайдаланып, кездейсоқ нәтижеге күтілетін мәнді есептейді. Ол алыс гомологтарды, әсіресе ab initio әдісімен құрылымдық болжамдар арқылы жасалған құрылымдарды SCOP сияқты құрылымдық отбасылармен сәйкестендіруде өте жақсы, себебі ол статистикалық тұрғыдан сенімді суб-сәйкестікті табуға басымдық береді, максималды тізбек сәйкестігіне немесе максималды 3D суперпозицияға емес. Әрбір 7 тізбектелген қалдықтан тұратын терезе үшін, ол жақын орналасқан Cα қалдықтары арасындағы орын ауыстыру бағытының бірлік векторларын есептейді. Барлық жергілікті мотивтер URMS көрсеткіші бойынша салыстырылады. Бұл мәндер динамикалық бағдарламалау үшін жұптық сәйкестіктің бағалау шамалары болып табылады, нәтижесінде бастапқы жұптық қалдық сәйкестігі пайда болады. Екінші кезеңде модификацияланған MaxSub алгоритмі қолданылады: әрбір белоктағы 7 қалдықтан тұратын бір сәйкес жұп, екі толық белок құрылымын осы 7 Cα-ны мүмкіндігінше үстіне қою үшін бағыттайды, содан кейін бұл бағдарда 3D кеңістікте жақын орналасқан қосымша сәйкес жұптарды іздейді. Ол кеңейтілген жиынтықты үстіне қою үшін құрылымдарды қайта бағыттайды және 3D кеңістікте жұптар сәйкес келмейінше қайталайды. Бұл процесс бастапқы сәйкестіктегі әрбір 7 қалдық терезесі үшін қайта басталады. Нәтиже – осы бастапқы тұқымдардың кез келгенінен табылған атомдардың ең көп саны. Бұл статистика белоктардың ұқсастығы үшін калибрленген E мәніне айналады. Mammoth бастапқы сәйкестікті қайта итерациялауға немесе жоғары сапалы кіші жиынтықты кеңейтуге тырыспайды. Сондықтан, ол көрсететін бастапқы сәйкестікті DALI немесе TM сәйкестігімен салыстыруға болмайды, себебі ол іздеу кеңістігін қысқарту үшін қолданылатын эвристикалық тәсіл ретінде құрылған. (Егер сіз тек жергілікті құрылымдық мотивтердің ұқсастығына негізделген, ұзақ аралықтағы қатаң дене атомдық сәйкестігіне тәуелсіз сәйкестікті қаласаңыз, оны қолдануға болады.) Осы үнемділігінің арқасында ол DALI, CE және TM сәйкестігінен он еседей жылдам. Ол көбінесе осы баяу құралдармен бірге үлкен деректер базаларын алдын ала тексеру үшін, толыққанды суперпозициялау немесе есептеулерді жүргізу үшін ең жақсы E мәніне байланысты құрылымдарды анықтау үшін қолданылады. Ол ab initio құрылымдық болжамдардан алынған "жалған" құрылымдарды талдауда да өте табысты болды.
SSAP
SSAP (Sequential Structure Alignment Program) әдісі екі динамикалық бағдарламалауды пайдаланады, бұл құрылым кеңістігіндегі атомнан атомға векторларға негізделген құрылымдық сәйкестікті тудырады. Құрылымдық сәйкестендіруде әдетте қолданылатын альфа-көміртектердің орнына SSAP глициннен басқа барлық қалдықтар үшін бета-көміртектерден векторларды жасайды, бұл әдіс әр қалдықтың ротациялық күйін, сондай-ақ тірек сүйегі бойымен орналасуын ескереді. SSAP әрбір қалдық пен оның әрбір белоктағы ең жақын жалғаспайтын көршілері арасындағы қалдықтар аралық қашықтық векторларының сериясын құру арқылы жұмыс істейді. Кейін векторлар құралған қалдықтардың әрбір жұптарының көршілері арасындағы векторлық айырмашылықтарды қамтитын матрицалар сериясы құрылады. Әрбір алынған матрицаға қолданылатын динамикалық бағдарламалау оптималды жергілікті сәйкестендірулер сериясын анықтайды, содан кейін олар "қорытынды" матрицаға қосылады, онда динамикалық бағдарламалау жалпы құрылымдық сәйкестендіруді анықтау үшін қайта қолданылады. SSAP бастапқыда тек жұптық сәйкестендірулерді ғана өндірді, бірақ содан бері бірнеше сәйкестендірулерге де кеңейтілді. Байланыстыратын орындарға немесе бүтін ақуыздың құрылымдық деректер базасына қарсы. MultiBind және MAPPIS серверлері H байланысы доноры, акцепторы, алифалық, ароматтық немесе гидрофобтық сияқты физикалық-химиялық қасиеттердің ортақ кеңістіктік орналасуын шағын молекулалармен өзара әрекеттесу арқылы анықталған пайдаланушы ұсынған белок байланысу орындарының жиынтығында (MultiBind) немесе пайдаланушы ұсынған белок-белок интерфейстерінің жиынтығында (MAPPIS) анықтауға мүмкіндік береді. Басқалары ақуыздың бүтін құрылымын пайдаланушы ұсынған құрылымдардың санымен немесе ақуыздың құрылымының үлкен дерекқорымен ақылға қонымды мерзімде салыстыруды қамтамасыз етеді (ProBiS). Глобалды сәйкестендіру тәсілдерінен айырмашылығы, жергілікті құрылымдық сәйкестендіру тәсілдері функционалдық топтардың жергілікті сақталған үлгілерін анықтау үшін жарамды, олар көбінесе байлау орындарында пайда болады және лиганд байлауына елеулі қатысы бар. TM align әдісімен жергілікті құрылымды сәйкестендіру құралы, жаһандық құрылымды сәйкестендіруге негізделген әдіс. G Losa TM сәйкестендіруге қарағанда бір тізбекті белоктардағы препарат тәрізді лигандтардың орналасуын дәл болжайды, бірақ TM сәйкестендірудің жалпы табыстылығы жақсы. Алайда алгоритмдік жетілдірулер мен компьютерлік өнімділік ескі тәсілдердің техникалық кемшіліктерін жойғандықтан, "оптималды" құрылымдық сәйкестендірудің бірде-бір жалпы критерийі жоқ екені анық болды. Мысалы, TM сәйкестендіру, эволюциялық байланысты ақуыздарды сәйкестендіру үшін жақсы өлшемдер болуы мүмкін сутекті байланыстарды немесе екінші реттік құрылымды сақтауды тек жанама түрде қамтитын, бірақ тізбек ұзындығы үлкен айырмашылықтары бар ақуыздар жиынтықтарын салыстыруды өлшеуде өте мықты. Осылайша, соңғы дамуы жылдамдық, баллдарды сандық анықтау, алтын стандарттарға сәйкестік немесе құрылымдық деректердегі немесе бастапқы құрылымдық модельдердегі кемелсіздікке төзімділік сияқты белгілі бір атрибуттарды оңтайландыруға бағытталған. Белсендінің құрылымындағы ұқсастықты анықтау үшін әртүрлі әдістердің консенсусын пайдалану - танымалдылыққа ие болып жатқан баламалы әдістеме.
РНК-ның құрылымдық сәйкестігі
Құрылымдық сәйкестендіру әдістері дәстүрлі түрде тек белоктарға ғана қолданылып келді, себебі олар ерекше үш өлшемді құрылым қабылдайтын негізгі биологиялық макромолекулалар болып табылады. Дегенмен, ірі РНК молекулалары да ерекше үшіншілік құрылымдарды құрайды, олар негізінен негіз жұптары арасындағы сутекті байланыстармен және негіздердің үйлесуі арқылы қалыптасады. Функционалдық тұрғыдан ұқсас кодтамайтын РНК молекулаларын геномдық деректерден бөліп алу өте қиын болуы мүмкін, себебі РНК-да да, белоктарда да құрылым тізбекке қарағанда жақсырақ сақталады.