단백질의 3차원 구조를 보여주는 ChimerX 예제 및 사용 방법 (튜토리얼 1)

구조 분석 및 비교

▣ 구조 분석

 - 수소 결합 및 접촉 (hydrogen bond and contacts)

 - 아미노산 측쇄 입체구조 (amino acid sidechain conformation)(회전이성질체: rotamers)

 - 특성 (B-factor, 소수성(hydrophobicity))

▣ 구조 비교

 - 구조 겹치기 (Superimposing structures)
 - 구조 간 모핑 (Morphing between structures)

 

배경 

황생포도구균(Staphylococcus aureus)은 병원성 생물로 스타필로잔틴(staphyloxanthin)이라는 안료를 만든다. 이 안료의 색은 금색으로, 세균이 숙주의 면역 체계에 의해 죽는 것으로부터 보호하여 병원력(virulence)에 기여를 한다. S. aureus의 효소 CrtM은 스타필로잔틴 합성의 중요한 단계의 촉매 작용을 함으로 좋은 약물 표적(drug target)이 될 수 있다.

A cholesterol biosynthesis inhibitor blocks Staphylococcus aureus virulence. Liu CI, Liu GY, Song Y, Yin F, Hensler ME, Jeng WY, Nizet V, Wang AH, Oldfield E. Science. 2008 Mar 7;319(5868):1391-4.

이 효소의 다른 구조들을 보고 비교해보자.

 

셋업

1. ChimeraX 실행

2. 툴바의 Graphics 탭에서 Side view 클릭, 또는 아래의 커맨드 사용

Command: tool show "Side View"

3. Protein Data Bank에서 구조 가져오기

해당 단백질이 리간드(ligands)및 주변의 스틱(sticks)으로 보여지는 잔기(residues)와 함께 리본(ribbons)으로 보임

Command: open 3w7f

4. 두 카피의 효소 Chain A와 B가 있는데, Chain B 삭제

Command: delete /b

이 효소는 farnesyl pyrophosphate의 15-탄소 분자 2개를 합쳐서 30-탄소 지방을 형성한다. 이 구조는 farnesyl thiopyrophosphate를 포함하는데, 이것은 산소 분자 자리에 (노란색) 황이 들어가 있다.

 

5. 리간드 잔기에 초점을 맞추고 레이블을 달자

Command: view ligand
Command: label ligand

기본값으로 레이블의 높이는 0.7Å, 아래의 커맨드로 바꿀 수 있다

Command: label height 1.0

이 구조에서 farnesyl thiopyrophsophate 분자는 FPS로 이름 붙여졌다. 3개의 마그네슘 이온이 인산염(phosphates) 위의 음전하(negative charge)에 대한 상쇄(offset)를 도와준다. 해당 이온들은 녹색의 구로 보이는데, 마우스를 가져다 대면 이들에 대한 정보가 팝업으로 뜬다. FPS, 물, 단백질의 금속 배위 결합(Metal coordination bonds) 은 보라색 파선(dashed line)으로 보인다. 공유결합(covalent bonds) 외)외 분자 간 상호작용을 나타내는 선은 모조 결합(pseudobonds)이라고 한다. 여기에 마우스를 가져다 대면 끝 원자와 길이에 대한 정보가 나온다.

 

6. 다양한 분석에 물이 표시될 수 있는데, 분석의 단순화를 위해 제거한다

Command: delete solvent

7. 측쇄와 잔기를 레이블링 한다

Command: label @@display

위 커맨드는 화면에 보이는 원자들에 대한 원자 단계의 이름들을 보이게 한다

"모든 잔기의 보이는 원자에 레이블을 달아라"라는 뜻이다

 

 

거리, 수소 결합, 접촉(Distance, H-bonds, Contacts)

다수의 측쇄가 phosphate oxygens에 수소 결합을 제공하는 것처럼 보인다. (구조가 수소를 포함하고 있지 않지만, 우리는 수소가 존재한다는 것을 안다).

Ser 21 잔기에서 가장 가까운 phosphate oxygen의 거리를 재려면:

1. Ser 21의 산소 측쇄를 선택하기 위해 Ctrl-클릭한다

2. 가장 가까운 phosphate oxygen을 Shift-Ctrl-더블클릭한다

3. 메뉴 창이 뜨는데, 여기서 Distance를 클릭한다.

 

마찬가지로, Tyr 248의 산소 측쇄와 phosphate oxygen 간의 거리를 측정하고 싶다면 아래의 커맨드를 입력한다

Command: distance :21@OG :302@O1B
Command: distance :248@OH :302@O1B

 

거리 측정은 노란색 파선의 모조 결합으로 나타난다. 이 거리들은 산소 결과가 일치하는 것으로 보인다. 그러나 다른 종류의 원자에 대해 적절한 수소 결합 거리를 기억하기 위해 많이 측정하는 것보다, hbonds 커맨드 또는 H-Bonds 툴을 사용하는 것이 편하다.

1. H-bond 검색을 제한하기 위해, 우선 FPS 잔기를 선택한다

Command: select :FPS

(또는 메뉴에서: Select --> Residues --> FPS)

 

2. 선택된 한쪽 끝에서 수소 결합 찾고 결과를 로그에 보고

Command: hbonds sel restrict cross reveal true log true

H-Bonds 툴을 사용하여 같은 것을 할 수 있음 (메뉴: Tools --> Structure Analysis --> H-Bonds) 옵션 Reveal atoms of H-bonding residues, Limit by selection: with exactly one end selected과 Log 선택, 나머지는 기본값

 

수소 결합은 하늘색 파선 모조 결합으로 보임. 측정된 두 개의 거리는 수소 결합과 일치함. 자세한 내용은 Log를 통해 볼 수 있음.

 

"hydrogen bond" 모조 결합 제거하기

Command: ~hbonds

거리 측정값 제거하기

Command: ~distance

Clashes/Contacts은 H-Bonds와 비슷하지만, 비극성 상호작용(nonpolar interactions)도 찾을 수 있음

clashes – unfavorable interactions where atoms are too close together; close contacts
contacts – all kinds of direct interactions: polar and nonpolar, favorable and unfavorable, including clashes

 

FPS 잔기의 모든 접촉들을 찾을 수 있습니다. FPS 잔기들이 선택된 상태에서 contacts 커맨드를 실행합니다.

Command:  contacts sel restrict cross reveal t log t select t

(Tools --> Strucuture Analysis 아래에 있는 Contact 툴을 사용하여 할 수도 있습니다)

 

Log에는 원자-원자 접촉이 VDW overlap이 감소되는 순서로 정렬되어 있습니다. 원자 VDW 구가 교차하면 positive, 접촉하면 0, 공간으로 분리되어 있으면 negative입니다. 기본값으로 살짝 분리되어 있는 구는 접촉으로 고려됩니다. 원자 중심 간 거리도 주어집니다.

 

커맨드로 선택된 원자들을 사용하여 접촉된 잔기의 리스트를 얻을 수 있습니다.

 

Log는 각 원자 접촉에 대한 자세한 내용을 가지고 있지만, 단순히 상호작용 하는 잔기의 리스트가 필요할 때도 있습니다. 우선, 단백질이 아닌 것을 선택 해제해야 합니다.

Command: ~sel  ~protein

info residues 커맨드를 사용하여 선택된 잔기를 리스트화 합니다.

Command: info residues sel

Ser 21, Tyr 248 및 다른 잔기들이 리스트에 있는 것을 볼 수 있습니다.

다음 장을 위해서 모조 결합을 제거하고 모든 것을 선택 해제합니다.

Command: ~contacts
Command: select clear

 

각도, 회전이성질체, 충돌(Angles, Rotamers, Clashes)

Tyr 248을 봅시다

Command: view :248

Ctrl-클릭으로 Tyr 248의 아무 원자를 선택하고 키보드위 위화살표키를 눌러서 모든 잔기를 선택합니다 (초기 선택이 원자가 아니라 결합이면 두 번 누르기). 또는 아래 커맨드를 사용하여 전체 선택 가능.

Command: select :248

충돌 확인과 측쇄 회전을 설정합니다. Tools --> Structure Analysis 이레 Clashes 툴을 사용하거나 아래의 커맨드를 입력합니다.

Command: tool show Clashes

Clashes 대화창의 대부분의 옵션을 기본값으로 설정합니다. 예외로는:

- Limit by selection 선택, with exactly one atom selected로 설정

- Reveal atoms 선택

- Frequency of checking 설정을 continuously (until dialog closed)로 설정

  (대화창을 닫지 말고, 옆쪽에다 놓기)

또는 위의 셋업을 아래의 커맨드로 수행할 수 있음

Command: clashes sel restrict cross reveal t continuous t

Log에 보고된 것과 같이 Tyr 248의 초기 위치에서는 충돌이 없습니다.

 

Tyr 248의 chi1 , chi2 측쇄의 각도를 측정하려면:

Command: torsion :248@n,ca,cb,cg
Command: torsion :248@ca,cb,cg,cd1

Log는 chi1 -106.801°, chi2 -142.054°를 보고 합니다.

 

툴바의 Right Mouse 탭의 bond rotation을 클릭하거나 아래의 커맨드를 사용하여 마우스 오른쪽 버튼의 기능을 활성화합니다.

Command: mouse right bond

활성화된 버튼으로 Tyr 248 CA- CB bond를 클릭하여 chi1으로 드래그하거나 CB-CG bond로 바꿔서 chi2로 드래그합니다. 충돌은 보라색 모조 결합으로 보이며 결합이 회전할 때마다 자동으로 업데이트됩니다.

 

Clashes 대화창을 닫습니다. 만약 모조 결합이 계속 보이면 제거합니다.

Command: ~clashes

Tyr 248의 chi1, chi2 각도를 재생성합니다.

Command: torsion :248@n,ca,cb,cg -106.801
Command: torsion :248@ca,cb,cg,cd1 -142.054

Tyr 248의 입체구조와 라이브러리 안의 tyrosine rotamers 구조를 비교해 봅시다.

Tyr 248이 선택된 상태에서 Rotamers 툴을 실행합니다.

Command: tool show Rotamers

결과 대화창에서 OK를 클릭하여 Dunbrack 라이브러리에서 TYR rotamers를 보여줍니다.

대화창은 라이브러리의 rotamer sidechain (chi)의 각도와 확률을 리스트로 보여줍니다. 보이는 rotamers 중 원래 Tyr 248의 입체구조(chi1 -107°, chi2 -142°)와 맞는 것이 없음을 볼 수 있습니다. 특정 rotamers는 리스트 안의 열을 선택해 보여줄 수 있습니다.

 

확률은 오직 잔기의 뼈대 각도(backbone angles)를 기반으로 합니다 (phi -74°, psi -32.2°). Rotamer 대화창을 사용하여 기본값으로 H-bonds와 Clashes를 계산할 수 있습니다. 새로운 열은 각 rotamer가 H-bond 없이 다수의 충돌을 형성하는 것을 보여줍니다. 이 튜토리얼 윗부분에서, Tyr 248 H-bonds는 리간드와 충돌을 회피하는 것으로 밝혀졌습니다. 이것은 비회전이성질체적 입체구조(nonrotameric conformation)를 나타냅니다.

 

측쇄는 같은 아미노산 종류의 rotamer 또는 "돌연변이"로 치환될 수 있습니다. 대화창에서 하나의 rotamer를 선택하거나 Use Chosen Rotamer(s)를 클릭하여 rotamer의 측쇄를 치환하거나 구보의 변경 없이 대화창을 닫을 수 있습니다.

 

Tyr 248과 다르게 Tyr 41은 뼈대 각도가 주워졌을 때, 가장 높은 확률의 tyrosine rotamer와 비슷합니다. Tyr 41에 초점을 맞추고 Ctrl-클릭으로 하나의 원자 또는 결합을 선택하고, Rotamers를 사용하여 tyrosine의 rotamer를 보고 평가할 수 있습니다.

 

Rotamers 작업이 끝나면, Rotamer 대화창의 Cancel을 클릭하고 다음 장을 위하여 클린업 합니다.

Command: select clear
Command: label delete
Command: ~hbonds; ~clashes
Command: view

 

출처: rbvi.github.io/chimera-tutorials/presentations/modules/chimerax-comp-structures/index.html#/