Кіріспе

Молекулалық өзара әрекеттесудің есептеулік модельдеуі. Макромолекулалық докинг – екі немесе одан көп өзара әрекеттесетін биологиялық макромолекулалар құрайтын кешендердің төртіншілік құрылымын есептеулік жолмен модельдеу. Бұл модельдеудің ең көп қолданылатын нысаналары – ақуыз-ақуыз кешендері, одан кейін ақуыз-нүклеин қышқылы кешендері. Докингтің басты мақсаты – тірі организмде кездесетін макромолекулалық кешеннің үш өлшемді құрылымын болжау. Докинг процесінің өзі тек мүмкін болатын кандидат құрылымдарды ғана шығарады. Осы кандидаттардың ішінде табиғатта кездесуі мүмкін ең ықтимал құрылымдарды анықтау үшін бағалау функциялары сияқты әдістер арқылы реттеу қажет. "Докинг" термині 1970 жылдардың соңында пайда болды, бастапқыда оның мағынасы шектеулі болған. Ол кезде "докинг" дегеніміз – өзара әрекеттесетін молекулалар арасындағы қашықтықты оңтайландыру арқылы күрделі құрылымның моделін жақсарту, бірақ олардың өзара орналасуын өзгеріссіз қалдыру болатын. Кейін, модельдеуде өзара әрекеттесетін серіктестердің өзара орналасуы өзгертілуге мүмкіндік алды, бірақ әр серіктестің ішкі геометриясы тұрақты қалды. Бұл модельдеу түрі кейде "қатаң докинг" деп аталады. Есептеу мүмкіндіктерінің артуымен, кешен пайда болғанда өзара әрекеттесетін серіктестердің ішкі геометриясындағы өзгерістерді модельдеу мүмкін болды. Бұл модельдеу түрі "икемді докинг" деп аталады.

Тарих

1970-ші жылдары күрделі модельдеу интеракторлардың бетіндегі ерекшеліктерді қолмен анықтауға және олардың байланысу, функциясы және активтігіне қатысты салдарларын түсіндіруге бағытталған; компьютерлік бағдарламалар көбінесе модельдеу процесінің соңында қолданылды, барлық эвристикалық шектеулер салынғаннан кейін қалған салыстырмалы түрде аз конфигурацияларды ажырату үшін. Компьютерлерді алғаш рет серпалы жасуша талшықтарындағы гемоглобиннің өзара әрекеттесуін зерттеуде қолданды. 1978 жылы трипсин-BPTI кешені бойынша жұмыс жүргізілді. Компьютерлер үлкен интерфейс ауданы және байланыста болған, бірақ бірдей кеңістікті иеленбеген молекулалар жұптарын бағалау үшін ұпайлау функциясын пайдаланып, жақсы және жаман модельдерді ажыратты. Компьютер әр қалдық үшін бір өзара әрекеттесу орталығы бар өзара әрекеттесетін ақуыздардың қарапайым бейнесін қолданды. Ыңғайлы электростатикалық өзара әрекеттесулер, соның ішінде сутекті байланыстар қолмен анықталды. 1990-шы жылдардың басында кешендердің көбірек құрылымдары анықталды және қолда бар есептеу қуаты едәуір артты. Биоинформатиканың пайда болуымен назар қабылдануы тиіс есептеу шығындарымен кез келген кешендер жиынтығына қолданылатын жалпылама әдістерді әзірлеуге ауыстырылды. Жаңа әдістер филогенетикалық немесе тәжірибелік мәліметтердің болмауында да қолданылуы тиіс болды; кез келген нақты алдыңғы білімдер ең жоғары бағаланған нәтижелердің арасынан таңдау кезеңінде енгізілуі мүмкін немесе алгоритм оған мүмкіндік берсе, кіріс ретінде қарастырылуы мүмкін. 1992 жылы корреляциялық әдіс жарияланды, бұл алгоритм жылдам Фурье түрлендіруін пайдаланып, қатты дене модельдеріндегі жалпы пішіннің сәйкестігін бағалау үшін айтарлықтай жақсартылған масштабтауға мүмкіндік берді. Бұл 1997 жылы жалпы электростатиканы қамту үшін кеңейтілді. 1996 жылы алғашқы «көре алмау» сынағының нәтижелері жарияланды, онда алты зерттеу тобы TEM 1 Бета-лактамазаның Бета-лактамаза ингибиторы ақуызымен (BLIP) кешенді құрылымын болжауға тырысты. Бұл тәжірибе конформациялық өзгерістерді ескеру қажеттілігін және конформаторларды ажыратудың қиындығын көрсетті. Сондай-ақ, ол 2001 жылы басталған CAPRI бағалау сериясының прототипі болды.

Қатты корпусты сүйрелу және икемді сүйрелу

Егер құрамдас бөліктердің байланыс бұрыштары, байланыс ұзындығы және бұрылу бұрыштары кешен құрудың ешқандай кезеңінде өзгертілмесе, бұл қатаң дене доктау деп аталады. Қатаң дене доктаудың көптеген доктаулар үшін жеткілікті жақсы емеуі мүмкін деген пікір бар. Егер құрамдас бөліктер кешен құрылымында маңызды конформациялық өзгерістерге ұшыраса, қатаң дене доктау жеткіліксіз болады. Дегенмен, барлық мүмкін конформациялық өзгерістерді бағалау компьютер уақыты тұрғысынан тым қымбат. Конформациялық өзгерістерге рұқсат беретін доктау процедуралары немесе икемді доктау процедуралары қарастыру үшін мүмкін конформациялық өзгерістердің шағын жиынтығын интеллектуалды түрде таңдауы керек.

Өзара кеңістіктегі әдістер

Әрбір белокты қарапайым кубтық тор түрінде бейнелеуге болады. Содан кейін, дискретті конволюциялар класындағы бағалар үшін, бір белокты нақты тор векторымен жылжыту арқылы бір-бірімен байланысты конфигурациялардың бәрін конволюция теоремасын қолдану арқылы дерлік бірден бағалауға болады. Бұрылу Монте-Карло әдісіне кездейсоқ әрбір қадамның қосымша қасиеті ретінде табиғи түрде енгізілуі мүмкін. Монте-Карло әдістері толыққанды іздеуге кепілдік бермейді, сондықтан ең жақсы конфигурация, теориялық тұрғыдан анықтайтын бағалау функциясын қолданғанның өзінде, жіберіліп қалуы мүмкін. Бұл доктеу үшін қаншалықты үлкен мәселе екені әлі толыққанды анықталған жоқ.

Салыстырмалы көрсеткіштер

Докинг әдістерін сынау үшін белгілі кешенді құрылымдары бар 84 белок-белок өзара әрекеттесуінің эталондық жинағы әзірленді. Жинақ өзара әрекеттесу түрлерінің кең ауқымын қамтиды және SCOP дерекқорына сәйкес, өзара әрекеттесушілердің құрылымдық отбасыларының профилі сияқты қайталанатын ерекшеліктерді болдырмау үшін таңдалды. Эталондық элементтер үш қиындық деңгейіне бөлінді (ең қиын деңгейі негізгі құрылымдағы ең үлкен өзгерістерді қамтиды). Белок-белок докингінің эталондық жинағы фермент ингибиторлары, антиген-антидене және гомомультимерлік кешендердің мысалдарынан тұрады. Белок-белок докингінің соңғы нұсқасы 230 кешеннен тұрады. Белок-ДНК докингінің эталондық жинағы 47 сынақ жағдайын қамтиды. Белок-РНК докингінің эталондық жинағы тек рентген кристаллографиясымен шешілген кешендерді қамтитын 45 қайталамасыз сынақ жағдайларының деректер жиынтығы ретінде, сондай-ақ гомологиялық модельдеуден алынған құрылымдармен 71 сынақ жағдайын қамтитын кеңейтілген деректер жиынтығы ретінде құрастырылды. Белок-РНК эталоны рентген кристаллографиясымен шешілген құрылымдардың көбейтілуімен жаңартылды және қазір ол 126 сынақ жағдайын қамтиды. Эталондық жинақтар 209 кешеннен тұратын біріктірілген деректер жиынтығын құрайды. Байланыс туыстығының эталондық жинағы белок-белок докингінің эталондық жинағына негізделген. Белгілі эксперименттік туыстық байланыстары бар 81 белок-белок кешені кіргізілген; бұл кешендер туыстық байланысы бойынша 11-ге жуық мәнді қамтиды. Эталондық жинақтың әрбір жазбасы эксперименттік деректермен байланысты бірнеше биохимиялық параметрлерді, сондай-ақ туыстықты анықтау үшін қолданылған әдісті қамтиды. Бұл эталондық жинақ баллдық функциялардың макромолекулалық кешендердің туыстығын болжау қабілетін бағалау үшін пайдаланылды. Бұл эталондық жинақ сарапшылармен тексеріліп, едәуір кеңейтілді. Жаңа жинақ биологиялық функцияларының әртүрлілігімен ерекшеленеді, оның құрамында G белоктары және рецепторлардың жасушадан тыс домендері, сондай-ақ антиген/антидене, фермент/ингибитор және фермент/субстрат кешендері бар. Бұл серіктестердің бір-біріне деген туыстығының да әртүрлілігімен сипатталады, Kd 10−5 және 10−14 М аралығында. Тоғыз жұп жазбалар ұқсас құрылымға ие, бірақ өте әртүрлі туыстық байланысқа ие, әр жұп туыс және туыс емес жиынтықты құрайтын тығыз байланысты кешендерді көрсетеді. Компоненттік белоктардың байланыссыз құрылымдары қол жетімді болғандықтан, конформациялық өзгерістерді бағалауға болады. Олар көптеген кешендерде маңызды, ал үлкен қозғалыстар немесе тәртіпсіздіктен тәртіпке өту жиі байқалады. Бұл жинақты белок-белок өзара әрекеттесулерінде туыстықты құрылыммен байланыстыруға бағытталған биофизикалық модельдерді салыстыру үшін пайдалануға болады, тек соңғы өнімді емес, сонымен қатар реакцияға қатысушылар мен ассоциациялық реакциямен бірге жүретін конформациялық өзгерістерді ескере отырып. Бұл зерттеушілер қауымдастығының барлық мүшелерінің бірдей белоктарды доктейтін іс-шаралардың үздіксіз сериясы болып табылады, координаталар бағалаушылармен жеке сақталады, олар құрылымдық биологтардың ынтымақтастығымен жұмыс істейді. Ұсыныстарды бағалау екі жақты соқыр түрде жүзеге асырылады. CAPRI жоғары деңгейде қатысушыларды (жетінші турда бүкіл әлемнен 37 топ қатысты) және биологиялық қауымдастықтың жалпы қызығушылығын тартады. CAPRI нәтижелері әр турдағы мақсаттардың аз санына байланысты статистикалық маңызға ие болмаса да, CAPRI дискуссияны ынталандыруда маңызды рөл атқарады. (CASP бағалауы - белок құрылымын болжау саласындағы ұқсас жаттығу).