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它们的结构变化和结构动力学有关，但是可以将其视为一组静态结构或组之间的过渡。在这项研究中，我们专注于这种结构的层次结构，并使用分层线性模型表达蛋白质中的结构变化。更确切地说，开发了一种方法（REM方法），以使用方差元素模型（一种随机效应模型）分离人群和种群之间的结构变化。还揭示了出于比较目的而开发的两阶段（TS）方法是样本量较大时的一种有用方法。该TS方法是一种参数效应模型的一种类型，因为它通过将其种群视为参数并估算从中的人群平均结构来估计每个人群的平均结构。这两种方法均基于最大似然法（ML），并且可低估了方差 - 交互矩阵（以下称为协方差矩阵）。这是在2022年解决的。换句话说，使用TS方法以与方差分析相同的方式来纠正自由度，但是使用REM方法使用有限的最大似然估计方法（REML）并实现估计方法来获得估计器。数值实验证实了预期的偏差减少。此外，这项研究的方法应用于KPC2（一种β-内酰胺酶）的PDB注册晶体结构，以及药物代谢酶细胞色素P450家族2（CYP2）酶组。在前者中，可以有效检测独特的动力学和奇异结构与结构聚类结合。此外，在适用于CYP2的情况下，人口间和人口内变化的分离是校正酶（种群）（种群间变化的分离）之间的活动现场大小的差异，从而使我们能够捕获CYP2的结构变化（开放/关闭行为）的CYP2，这对CYP2普遍存在，这是所有Enszemes（Enszemes）的普遍性）。这被认为是层次线性模型应用的非常有用的新方法。