Введение

Топология трансмембранного белка относится к расположению N- и C-концов полипептидной цепи, пронизывающей мембрану, относительно внутренней или внешней стороны биологической мембраны, занимаемой белком. Существует несколько баз данных, предоставляющих экспериментально определенные топологии мембранных белков, включая Uniprot, TOPDB, OPM и ExTopoDB. Также существует база данных доменов, консервативно расположенных на определенной стороне мембраны – TOPDOM. Было разработано несколько вычислительных методов для предсказания трансмембранных альфа-спиралей и их топологии, однако с ограниченным успехом. Первоначальные методы использовали тот факт, что мембранопроникающие области содержат больше гидрофобных аминокислотных остатков, чем другие части белка, однако применение различных гидрофобных шкал влияло на результаты предсказания. Позже были разработаны статистические методы для улучшения предсказания топологии, а также введен специальный метод выравнивания. Согласно правилу положительного заряда внутри клетки, цитозольные петли вблизи липидного бислоя содержат больше положительно заряженных аминокислот. Применение этого правила привело к созданию первых методов предсказания топологии. Существует также правило отрицательного заряда снаружи для трансмембранных альфа-спиралей в однопроходных белках, хотя отрицательно заряженные остатки встречаются реже, чем положительно заряженные в трансмембранных сегментах белков. С увеличением количества определенных структур появились алгоритмы машинного обучения. Методы обучения с учителем обучаются на наборе экспериментально определенных структур, однако сильно зависят от обучающей выборки. Методы обучения без учителя основаны на принципе, что топология зависит от максимального различия в распределении аминокислот в различных структурных частях. Также было показано, что фиксация расположения сегмента на основе априорных знаний о структуре повышает точность предсказания. Эта функция была добавлена в некоторые существующие методы предсказания и позволяет автоматически учитывать ранее определенную экспериментальную информацию. База данных HTP предоставляет коллекцию топологий, вычислительно предсказанных для трансмембранных белков человека. Различение сигнальных пептидов и трансмембранных сегментов является дополнительной проблемой в предсказании топологии, которую различные методы решают с ограниченным успехом. И сигнальные пептиды, и трансмембранные сегменты содержат гидрофобные области, формирующие альфа-спирали, что приводит к перекрестному предсказанию между ними – слабости многих предсказателей трансмембранной топологии. Одновременное предсказание сигнальных пептидов и трансмембранных спиралей (Phobius).