5. 구조 데이터베이스 구조모델: 아름답고 신기

목 차 구조에 대한 서론 PDB-Protein Data Bank—단백질 정보 은행 Brookhaven National Laboratories ->Research Collaboratory for Structural Biology) MMDB-Molecular Modeling Data Base 구조 파일포맷 구조 정보 보기 데이터베이스 구조보기 소프트웨어 고차원 구조 모델링 구조 유사성 검색

Ⅰ.구조에 대한 서론 ⊙3차원 분자 구조 데이터의 개념 생체 고분자 화합물의 구조를 생물 정보학적 관점에서 소개 목적 : 구조적 데이터베이스 기록의 내용 소개 & 소프트웨어들 다루는 방식과 오류 언급 ⊙3차원 분자 구조 데이터의 개념 ◈ 생체 고분자의 3차원 구조 데이터를 기록하는 방법 -서열 완성→ 생체 고분자의 이차원적 그림→ 원자간 거리 측정→ x,y,z좌표 기입 ◈ 3차원 구조 데이터베이스 기록의 두 가지 요소 -화학구조, 원자의 공간에서의 위치->사람이 인식하기에 적절 -단점) 컴퓨터가 인식하기 어려움 →구조 생물 정보학 컴퓨터는 원자, 결합, 좌표, 잔기 분자등의 정보가 encoding 되어야 인식할 수 있고 이러한 필요성 때문에 구조생물 정보학 대두 암호화 단백질 서열정보 단백질 구조분석

⊙ 좌표,서열 및 화학 그래프 ⊙ 원자, 결합 및 완벽성 ◈ 3차원 구조 기록에서 가장 확실한 데이터 : 원자의 공간상의 위치를 말해주는 좌표 데이터 (x,y,z값으로 표현) ◈ 원자의 좌표데이터는 구조기록의 표식정보(labeling information)목록에 첨부 :비가공 서열에서 시작 ◈ 각각의 서열은 상당량의 화학적 테이터를 함축 -서열정보만으로 대략적 그림(sketch)을 그려낼 수 있음 :3차원 구조의 화학적 그래프 부분 ⊙ 원자, 결합 및 완벽성 Connection: 원자간 화학결합 ◈화학규칙 접근법:원자 및 원자결합을 기록한 방법 (C-C결합의 평균거리는 1.5Å) PDB파일포맷의 기본 unknown 잔기 ‘X’로 표시 원자쌍 간의 결합거리와 결합형태에 관한 정보 필요 ◈명시적 결합 접근법: MMDB에서 사용하는 방법(분자구조 묘사) PDB 포맷에서 파생된 파일포맷 형태 화학규칙 접근법 보다 더욱 간단한 소프트웨어

OpenGL과 Cn3D를 사용하여 표시한 인슐린 구조 3INS ▷ 서열을 구조 데이터베이스로 전환함에 있어 해결해야할 문제점 ① 활성 생물학적 단위를 코드화 하지 못함 ② 관찰된 구조와 원래 유전자간의 관련성을 코드화하지 못함

Ⅱ. PDB:구조생물정보학 연구연합의 단백질 데이터 은행 X-선 결정학, NMR 방법, 그리고 분자 모델링 등 기타 방법에 의해 밝혀진 분자 구조의 좌표를 비롯한 단백질 관련 정보를 수록 ⊙ RCSB Database 서비스 ◈ RCSB의 단백질 데이터 은행의 월드와이드 웹 사이트 -3차원 구조 데이터를 투고하고 검색할수 있는 서비스 제공

⊙ PDB질의검색 및 결과보고 ◈3차원 분자구조 찾기 위한 검색엔진 SearchLite - Database를 텍스트로 검색 SearchFields - Database 내에서 특정한 필드를 검색할수 있는 부가적인 기능 제공

◈구조정보의 투고 (autoDep/Input/Tool) -ADIT 서비스: 데이터 포맷이 맞는지 검사 구조와 질을 판단 → automatic validation report 결합거리, 각도, 비틀림 각도, 핵산비교, 결정패킹 등이 포함 ◈ PDB ID 코드 -PDB에 있는 각 구조는 4자리 코드를 이용 (문자A~Z,숫자0~9) ex) 3ins- insulin 4hhb- hemoglobin ◈Database의 검색, PDB파일 읽어들이기, mmCIF파일 읽어들이기 및 링크 -Macromolecular Crystallographic Information File -Structure Explorer : PDB자료 검색에 사용, 링크제공(FSSP(구조적 진화), DALI, protein motion visualization tool)

⊙ 구조 기록의 서열 ◈PDB의 서열정보기록의 형태 ①외형서열(explicit sequence) : 키워드 SEQRES로 시작되는 행에 기재됨 세 개의 문자로 된 아미노산 코드 사용 단점) 일관성 있는 규칙이 없다(비표준 아미노산 코드 사용) 원자의 이름과 원소형태를 분리하여 기록할 수 없다 ②내재서열(implicit sequence) : PDB파일의(x,y,z)데이터에 내재한 입체화학과 각 ATOM 기록의 이름속에 포함 → 외형서열의 문제점 해결& 비표준 아미노산 확인 Cf) NDB http://ndbserver.rutgers.edu/핵산에 대한 구조정보 PDB파일보기 소프트웨어-대부분이 외형서열 SEQRES 정보를 무시, 내재서열 정보만을 이용해 PDB기록의 화학그래프를 재구축함 ex) ELVISISALIVES – ISA 서열에 관한 좌표정보가 없을때→ ELVISLIVES

3TSI실험구조를 이용하여 3차원 구조보기 소프트웨어의 서열 번호매기기 오류검사

⊙ PDB 서열의 검증 서열검증 위해 ATOM 기록에 있는 내재서열 도출해내야함 단백질 구조에 공백존재-내재서열 단편만 존재→외형서열과 반드시 정렬시켜야함 MMBD-검증된 단백질 및 핵산 서열을 검색 주의할점- SWISS-PROT서열이 반드시 구조와 일치하지 않는다,계통분류가 모호함

Ⅲ. MMDB :NCBI의 분자모델링 데이터베이스 ⊙ 구조 기록의 프리 텍스트 검색 ◈MMDB 데이터베이스 검색: NCBI 홈페이지에서 엔트레즈 사용 ◈MMDB 검색항목: PDB 및 MMDB ID 코드, PDB REMARK 원본기록의 free text 저자이름, 참고문헌 ⊙ MMDB 구조요약 ◈MMDB 웹 인터페이스: MMDB 구조기록에 대한 구조요약 페이지 제공 ◈MMDB 구조요약페이지: 단백질 구조 내 chain의 파스타 형식 서열,메드라인 참고문헌 으로의 링크, 구조상에서 특정사슬에 이읏하는 단백질 또는 핵산서열로의 링크 등을 제공 ⊙ PDB 서열에 대한 BLAST:새로운 서열의 유사성 ◈새로운 서열과 관련된 구조는 NCBI 블라스트를 사용 ◈블라스트 데이터베이스: MMDB의 모든 검증된 서열정보사본을 포함함 →파스타 형식의 서열을 입력상자에 붙여 넣은 후 ‘pdb’를 선택 ⊙ Entrez의 연관관계 검색기능:알려진 서열 유사성 ◈ 엔트레즈의 연관관계 검색기능(neighboring facility) : 특정의 단백질 서열과 유사한 서열을 갖는 단백질 구조를 찾을 때 사용

Ⅳ. 구조 파일포맷 ⊙ PDB: protein data bank PDB파일포맷- FORTRAN프로그래머들이 사용한 펀치카드와 같은 컬럼구조 *구조 연구학자-포트란 *생물정보학 분야-C언어 PDB파일포맷-생체 고분자의 결합에 관한 정보가 없다 ⊙ mmCIF: macromolecular crystallographic information file mmCIF파일포맷- STAR구문법의 하위세트에 근거한 것 ⊙ MMDB: molecular modeling database MMDB파일포맷-ASN.1데이터 기술언어 ASN.1파일: 문자파일로 변환, binary file, packed binary file의 형태로 변환 ASN.1으로 포맷된 MMDB파일-mmCIF나 PDB기록에 비해 빠른 입출력가능

Ⅴ. 구조 정보 보기 ⊙ 다양한 표시 형태 ⊙ 데이터를 그림으로 보기:모집단,퇴화 및 역동성 Wire frame model Space filling model α-carbon backbone 리본모델 ⊙ 데이터를 그림으로 보기:모집단,퇴화 및 역동성 ◈X-선과 NMR 방법 : 동조화(synchronize)된 분자집단들의 3차원 구조를 추론하는 기법 → 질서정연한 결정격자 형태를 취해 공간상에 동조화 됨 or 외부자장에 의해 핵 스핀 상태가 정렬되어 행동이 동조화됨 ◈분자모집단을 사용했을 때 파생되는 결과 : 데이터베이스 기록에 퇴화좌표(degenerate coordinates)가 나타남 → 한 원자에 대해 한 개 이상의 좌표가 존재

⊙ NMR 모델과 앙상블 각각의 구조: 모델 → 모델이 모이면 앙상블(ensemble): 대칭적으로 맞지 않은 그럴 뜻한 구조 3차원 구조 X-ray crystallography NMR구조의 한 개의 앙상블에 속한 이미지 -한 분자의 역동적인 변동성을 보여줌 하나의 완전한 이미지 위에 또 다른 이미지를 겹치는 과정을 반복했기 때문이다.-> NMR 도해가 흐리게 보임 정적인 분자의 이미지를 부여함

⊙ 상관성 불규칙성 ⊙ 국소적인 역동성 ◈상관성 불규칙성(correlated disorder) -보통 X-선 결정분석구조: 한가지 모델 -일부 원자들의 하위세트: 퇴화좌표 가짐 화학그래프상에서 한 원자에 대해 한개이상의 좌표가 존재한다는 의미:퇴화좌표 → 상관성 불규칙성과 앙상블은 3차원 분자 그래픽 소프트웨어에서 무시되는 요소 ⊙ 국소적인 역동성 ◈시간-분해 형광 분광학: 잔기의 위치 정렬의 불규일성을 검출 →트립토판 잔기의 회전 이성질체 특성을 발견 ◈ 3차원 구조 데이터를 해석하는 경우 데이터의 불균일성이 존재 한다는 사실 명심해야함

Ⅵ. 데이터베이스 구조보기 소프트웨어 ⊙ 시각화 도구 ⊙ 라스몰과 라스몰 기반의 뷰어 Ⅵ. 데이터베이스 구조보기 소프트웨어 ⊙ 시각화 도구 RCSB 웹사이트는 자바를 기반으로 PDB데이터를 3차원 구조로 보여주는 응용 소프트웨어를 제공 -한계점) 현재 단백질 구조만을 시각화 한다 →RasMol 버전 2.7, WebMol ⊙ 라스몰과 라스몰 기반의 뷰어 ◈ RasMol: PDB파일을 검토할 수 있는 보기용 소프트웨어(viewer) 정보를 자주 재연산하여 데이터베이스 내부의 모순과 불일치를 극복 우수한 출력 포맷을 가지고 있음 ＊서열의 화학그래프나 PDB파일에서 코딩한 구조를 검증하지 않음 ＊표준 잔기 검증하지 않음 ＊외형서열과 내재서열의 정렬을 하지 않음 Postscript ribbon diagram: 출판목적으로 고품질 포스트 스크립트 형식의 리본 도해모델을 만들어 내고자 하는 경우 ◈ Plug-in, Chime, WebMol

⊙ 기타 3차원 구조보기 소프트웨어:Mage,CAD,VRML ⊙ MMDB 뷰어: Cn3D Cn3D(see in 3-D): 3차원 구조보기용 소프트웨어,MMDB데이터 기록을 보는데 사용 모든 결합에 관한 정보가 명확함 Cf) O program (3차원 데이터베이스의 구조를 일관되게 그려냄) ◈ Cn3D의 특징: 3차원 구조를 움직여서 볼 수 있다 ⊙ 기타 3차원 구조보기 소프트웨어:Mage,CAD,VRML ◈ VRML: 3차원 그래픽 표시정보를 가짐 분자의 화학그래프에 내재되어 있는 정보는 담지 않음 다양한 묘사양식을 표시하기 어려움 ◈ CAD: 단백질 구조의 자세한 면을 검토하는 특수한 보기기능, 분석적 기능이 없음 CAD: computer-aided design VRML: virtual reality modeling language ⊙ 발표용 그래픽 자료 ◈ 이미지를 화소(화상을 구성하는 최소단위의 점)로 변환하는 문제점 -고품질의 프린트 해상도:인치당 300~600 dip -모니터 화소수:72도트 ◈ 가장 바람직한 비트맵 사용법: 큰 모니터를 사용하여 이미지에 포함된 화소수를 최대화 하는것 (크게)

Ⅶ. 고차원 구조 모델링 OpenGL에 기초한 프로그램은 여러 OS (매킨토시,리눅스,윈도우)에서 작동 -분자표면생성,여러 단백질의 정렬,점수 함수의 사용, 위치지정 돌연변이 유도 (빠른 모델링), 수정루프(복잡한 모델링) 를 수행함 Swiss PDB view (Deep view)

Ⅷ. 구조 유사성 검색 *서열간 유사성을 검색하는 프로그램 -두 서열을 정렬하는 기능 *구조간 유사성을 검색하는 프로그램 - 두 개의 3차원 구조를 겹쳐보는 기능 ◈구조 유사성 검색 서비스 : 두 구조간의 유사성을 계산할수 있다는 가정에 근거한 것 3차원 단백질 구조-다른구조들과 3차원 겹쳐보기를 행함 -가장 잘 매치되는것을 보고 ◈VAST(Vector Alignment Search Tool), 벡터 정렬 검색 도구: 유사성 지수 제시 (서열정보 사용 안함) -VAST 시스템: ＊명백히 설정된 유사성 지수를 가져 놀라운 연관성을 얻음 ＊흥미로운 연관성을 빨리 볼수있고 중복되지 않는 표적물을 보여줌 ＊도메인에 근거한 구조비교를 제공 ＊Cn3D와 통합가능