計算機人工智能體系A(chǔ)lphaFold近來展望了數(shù)萬種蛋白質(zhì)的之前未知的三維布局。
美因茨約翰內(nèi)斯·古騰堡大學(xué)（JGU）的研討團隊專注于具有高置信度分?jǐn)?shù)的子集，研討人員經(jīng)過算法闡發(fā)這一些猜測，發(fā)明蛋白質(zhì)骨架表現(xiàn)出稀有的拓?fù)鋸?fù)雜性，即打結(jié)。
個中，研究人員發(fā)覺了一個71-結(jié)，這是迄今為止正在蛋白質(zhì)中發(fā)覺的最龐雜的拓?fù)浣Y(jié)，和一些由兩個甲基轉(zhuǎn)移酶或碳酸酐酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成的六交織復(fù)合結(jié)，每一個結(jié)構(gòu)域皆包括一個簡樸的三葉結(jié)。這一些深深嵌入的復(fù)合結(jié)顯然是經(jīng)由過程基因復(fù)制和打結(jié)二聚體的相互連接而產(chǎn)生的。
別的，該團隊還報告了兩個新的五穿插結(jié)，包羅第一個51-結(jié)。該事情闡發(fā)的構(gòu)造列表構(gòu)成了將來實驗研討的根底，以確認(rèn)這一些新型打結(jié)拓?fù)洳⑻剿髌潺嫶蟮恼郫B機制。
該研討以「AlphaFoldpredictsthemostcomplexproteinknotandcompositeproteinknots」為題，于2022年7月13日宣布正在《ProteinScience》。
谷歌DeepMind開辟的人工智能（AI）體系A(chǔ)lphaFold兩次核心蛋白質(zhì)構(gòu)造展望技能（CASP）的關(guān)頭評價。AlphaFold2是一個深度進修體系，它連系了基于蛋白質(zhì)構(gòu)造的進化、物理和多少束縛的鍛煉順序。它的特點是展望的迭代細(xì)化，并答應(yīng)利用自蒸餾和自預(yù)計準(zhǔn)確性從未符號的蛋白質(zhì)序列中進修，以利用一級構(gòu)造和同源物的對齊序列直接展望給定蛋白質(zhì)的一切重原子的3D坐標(biāo)。
AlphaFold2今朝曾經(jīng)猜測了數(shù)十萬種蛋白質(zhì)構(gòu)造，個中絕多數(shù)沒有包括在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中，該數(shù)據(jù)庫重要存檔實驗肯定的構(gòu)造。是以，AlphaFold的猜測數(shù)據(jù)庫大概具有偉大的價值，稀奇是關(guān)于研討沒有普遍但仍與領(lǐng)會蛋白質(zhì)折疊潛在機制的復(fù)雜性具有高度相關(guān)性的蛋白質(zhì)現(xiàn)象。關(guān)于在其多肽骨架中包括拓?fù)浣Y(jié)的蛋白質(zhì)，會呈現(xiàn)一個稀奇使人沉迷的現(xiàn)象，即從兩頭拉出后沒有會完整解開的蛋白質(zhì)。
正在曩昔的二十年中，僅發(fā)現(xiàn)了約莫20種不一樣的含有結(jié)的卵白質(zhì)家族。然而，打結(jié)的卵白質(zhì)對卵白質(zhì)折疊和進化提出了挑釁。模仿算法常常高估卵白質(zhì)的打結(jié)幾率，由于后者低于隨機鏈的打結(jié)幾率。
另外，同源物之間的蛋白質(zhì)拓?fù)錁?gòu)造一般類似，這意味著正在進化中密切關(guān)系的蛋白質(zhì)中往往會保存打結(jié)的折疊。因為這一些緣由，而且因為自然蛋白質(zhì)之間打結(jié)的罕見性，正在展望蛋白質(zhì)構(gòu)造的龐大新數(shù)據(jù)庫中大概存正在打結(jié)拓?fù)錁?gòu)造引起了人們的濃厚興趣。
現(xiàn)正在，正在蛋白質(zhì)中發(fā)明的最龐大的結(jié)是單個結(jié)，正在任何投影到平面上都有六個根本交叉點；還沒有觀察到復(fù)合結(jié)。
復(fù)合結(jié)的發(fā)生機制
研究人員通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了9個之前未知的復(fù)合結(jié)案例。這一些全是兩個基本上自力的三葉滾存在于一個較長的蛋白質(zhì)鏈中的例子。
因而他們提出了一種基于基因復(fù)制和打結(jié)同源二聚體互連來生成這類復(fù)合結(jié)的新機制。風(fēng)趣的是，這類機制類似于適用于建立第一個人工蛋白質(zhì)結(jié)的計謀，個中未打結(jié)的二聚體被「毗連」以構(gòu)成三葉草。
顛末考證，復(fù)合三葉結(jié)能夠認(rèn)定為俗稱的「奶奶結(jié)」。復(fù)合結(jié)的手性取先前講演甲基轉(zhuǎn)移酶和碳酸酐酶中單個三葉結(jié)的正手性的成果同等。研究人員正在兩個分歧的蛋白質(zhì)家族和兩種構(gòu)造變更中觀察到了不異的現(xiàn)象，他們以為這是一種發(fā)生復(fù)合結(jié)的潛正在機制。
圖示：蛋白質(zhì)P54212（碳酸酐酶）的3D布局（上）和簡化暗示（下）。
蛋白質(zhì)中的第一個71-結(jié)
下圖描寫了蛋白質(zhì)P73136和Q9PR55，其長度分別為112和89個氨基酸。二者都沒有特點，運用PDBeFold沒法辨認(rèn)也許的同源物。然而，它們具有48%的序列同一性和71%的二級構(gòu)造婚配，這表明它們多是同源物。
蛋白質(zhì)Q9PR55包羅最龐雜的結(jié)，一個71-結(jié)，迄今為止已知正在殘基27和83之間有一個打結(jié)的中心。蛋白質(zhì)P73136的相似布局包羅一個51-結(jié)，正在殘基45和94之間有一個打結(jié)的中心。之前沒有觀察到這兩種蛋白質(zhì)具有分歧的非尋常拓?fù)洳季值倪@類同源物對。
仔細(xì)觀察會發(fā)覺，蛋白質(zhì)Q9PR55更龐大的拓?fù)錁?gòu)造是由一個引入分外纏繞的蛋白質(zhì)片斷造成的；71環(huán)面結(jié)本質(zhì)上是一個51環(huán)面結(jié)，正在環(huán)面上有一個分外的纏繞；兩個結(jié)皆具有正手性。
新的51和52結(jié)
該團隊發(fā)現(xiàn)了兩個從前未知的具有五個根基交叉點的結(jié)，包孕第一個51-結(jié)。
準(zhǔn)確性測試
因為該發(fā)明的新穎性，根據(jù)自力方式開展考證將很主要。正在實驗研討之前，研討人員使用正交測算東西ERRAT來評價展望的打結(jié)布局。ERRAT算法評價C、N和O原子之間的非鍵合接觸形式，并取高分辨率布局開展統(tǒng)計對照。根據(jù)取AlphaFold（和其他展望方式）中利用的目標(biāo)分歧，它給予了自力的評價。
研究人員在打結(jié)構(gòu)造集上運行了ERRAT。剔除某些模子中間或呈現(xiàn)的擴大結(jié)尾，一切測試的模子皆顯示出較好的分?jǐn)?shù)；一切卵白皆有>90%的卵白質(zhì)鏈落在（低于）謝絕不可能構(gòu)象的95%閾值內(nèi)。因而，整體來看，猜測的構(gòu)造是精確的，至少在很大程度上是精確的。
然而，正在某些情況下，構(gòu)造的部分地區(qū)好像存正在潛正在題目。主要的是要注意蛋白質(zhì)鏈途徑中的渺小差別——比方，那些會改動上/下穿插的差別——也許會改動拓?fù)錁?gòu)造，也許招致結(jié)的毛病分派。
研究人員注意到，關(guān)于復(fù)合結(jié)Q4D5S2，ERRAT法式將殘基100-110四周的beta鏈段標(biāo)記為布局上大概不正確。值得注意的是，該區(qū)域中鏈的經(jīng)過關(guān)于打結(jié)拓?fù)浜苤饕?/p>
結(jié)語
總之，該團隊闡發(fā)了AlphaFoldAI體系對新拓?fù)潺嬰s蛋白質(zhì)的一切蛋白質(zhì)3D布局展望。我們對AlphaFold供應(yīng)的數(shù)據(jù)的完好闡發(fā)揭露了幾種包括深度龐雜結(jié)的高置信度蛋白質(zhì)，這一些蛋白質(zhì)適用于對其3D布局的實驗考證。
正在這里個數(shù)據(jù)集合，研究人員發(fā)明了一個71-結(jié)，這是迄今為止正在蛋白質(zhì)中發(fā)明的最龐雜的一個，和同源構(gòu)造中的一個新的51-結(jié)，和復(fù)合蛋白質(zhì)節(jié)的第一個實例。關(guān)于后者，研究人員提出了一種根據(jù)基因復(fù)制制造它們的進化機制。
因為蛋白質(zhì)拓?fù)洳季质堑鞍踪|(zhì)折疊算法的延續(xù)挑釁，因而經(jīng)過實驗考證所計議的布局展望將非常主要。不但可以獲得對AlphaFold體系精確展望龐雜蛋白質(zhì)拓?fù)洳季值谋绢I(lǐng)的精致權(quán)衡，并且主要的是確認(rèn)這里發(fā)明的大批新蛋白質(zhì)結(jié)。