タンパク質構造ダイナミクスの解析のための階層線形モデルの枠組みでの共分散推定

用于分析蛋白质结构动力学的分层线性模型框架中的协方差估计

基本信息

批准号：
22K12264
负责人：
網崎孝志
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tottori University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K12264/
关键词：
変量効果モデル確率的主成分分析構造多様性

项目摘要

タンパク質の働きは、その構造変動や構造ダイナミクスに結びついていると考えられているが、それらは静的構造の集団あるいは集団間の遷移ととらえることができる。本研究では、このような構造の階層性に着目し、タンパク質の構造変化を階層線形モデルで表現する。より正確には、変量効果モデルの一種である分散要素モデルにより集団間の構造変動と集団内での構造変動を分離する方法（REM法）を開発した。また、それとの比較の目的で開発した二段階（TS）法も、標本サイズが大きい場合は有用な手法であることが明らかになった。このTS法は、それぞれ集団の平均構造を母数とみなして推定し、それらから母平均構造を推定するものであるため、母数効果モデルの一種である。いずれの手法も最尤法（ML）にも基づいており、分散共分散行列（以下、共分散行列）は過小推定となる。2022年度は、この点に対応した。すなわち、TS法については、分散分析と同様の自由度の補正を行う方法としたが、REM法については、制限付き最尤推定法（REML）による推定量を求め、その推定法を実装した。数値実験により、期待通り、バイアスの減少が確認できた。また、βラクタマーゼの一種のKPC2、及び、薬物代謝酵素シトクロム P450 ファミリー2（CYP2）酵素群のPDB登録結晶構造等に本研究の手法を適用した。前者では、構造クラスタリングと組み合わせて特徴的なダイナミクスや特異構造の検出が有効に行えた。また、CYP2への適用例では、集団間・内変動の分離が、酵素（集団）間での活性部位サイズの違いの補正（集団間変動の分離）として機能し、全酵素（集団）に共通する CYP2 に普遍の活性部位の構造変化（open/close動作）を捉えることができた。これは、階層線形モデルの非常に有用な新しい適用方法と考えられる。

蛋白质的功能被认为与其结构波动和结构动力学有关，可以将其视为静态结构组或组之间的过渡。在这项研究中，我们关注这种层次结构，并使用层次线性模型表达蛋白质的结构变化。更准确地说，我们开发了一种方法（REM 方法），该方法使用分布式元素模型（一种随机效应模型）来分离群体之间和群体内部的结构变异。此外，当样本量较大时，为比较目的而开发的两阶段（TS）方法也被发现是一种有用的方法。这种TS方法是一种种群效应模型，因为它估计每个种群的平均结构作为参数，并据此估计种群平均结构。这两种方法也是基于最大似然法（ML），这会导致方差-协方差矩阵（以下简称协方差矩阵）的低估。在 2022 财年，我们解决了这一点。也就是说，对于TS方法，我们使用与方差分析相同的方式校正自由度的方法，但对于REM方法，我们使用限制最大似然估计方法（REML）计算估计量并实现估计方法。数值实验证实偏差如预期那样减少了。此外，本研究的方法还应用于PDB注册的β-内酰胺酶KPC2和药物代谢酶细胞色素P450家族2（CYP2）酶组的晶体结构。前一种方法能够结合结构聚类有效地检测特征动态和奇异结构。另外，在CYP2的应用示例中，群体间和群体内变异的分离起到了对酶（群体）之间活性位点大小差异的校正的作用（群体间变异的分离），并且对于所有酶都是通用的。我们能够捕获 CYP2 中普遍存在的活性位点的结构变化（打开/关闭作用）。这被认为是分层线性模型的一个非常有用的新应用。