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结合 NMR 集合和分子动力学模拟为溶液中的蛋白质结构提供了更真实的模型,并导致更好的化学位移预测。

Combining NMR ensembles and molecular dynamics simulations provides more realistic models of protein structures in solution and leads to better chemical shift prediction.

机构信息

School of Pharmacy, University of Eastern Finland, Kuopio, Finland.

出版信息

J Biomol NMR. 2012 Mar;52(3):257-67. doi: 10.1007/s10858-012-9609-6.

DOI:10.1007/s10858-012-9609-6
PMID:22314705
Abstract

While chemical shifts are invaluable for obtaining structural information from proteins, they also offer one of the rare ways to obtain information about protein dynamics. A necessary tool in transforming chemical shifts into structural and dynamic information is chemical shift prediction. In our previous work we developed a method for 4D prediction of protein (1)H chemical shifts in which molecular motions, the 4th dimension, were modeled using molecular dynamics (MD) simulations. Although the approach clearly improved the prediction, the X-ray structures and single NMR conformers used in the model cannot be considered fully realistic models of protein in solution. In this work, NMR ensembles (NMRE) were used to expand the conformational space of proteins (e.g. side chains, flexible loops, termini), followed by MD simulations for each conformer to map the local fluctuations. Compared with the non-dynamic model, the NMRE+MD model gave 6-17% lower root-mean-square (RMS) errors for different backbone nuclei. The improved prediction indicates that NMR ensembles with MD simulations can be used to obtain a more realistic picture of protein structures in solutions and moreover underlines the importance of short and long time-scale dynamics for the prediction. The RMS errors of the NMRE+MD model were 0.24, 0.43, 0.98, 1.03, 1.16 and 2.39 ppm for (1)Hα, (1)HN, (13)Cα, (13)Cβ, (13)CO and backbone (15)N chemical shifts, respectively. The model is implemented in the prediction program 4DSPOT, available at http://www.uef.fi/4dspot.

摘要

虽然化学位移对于从蛋白质中获取结构信息非常有价值,但它们也提供了一种获取蛋白质动力学信息的罕见方法。将化学位移转化为结构和动态信息的必要工具是化学位移预测。在我们之前的工作中,我们开发了一种用于预测蛋白质(1)H 化学位移的 4D 方法,其中分子运动(第四维)使用分子动力学(MD)模拟进行建模。尽管该方法明显提高了预测精度,但模型中使用的 X 射线结构和单个 NMR 构象不能被认为是蛋白质在溶液中的完全真实模型。在这项工作中,使用 NMR 集合(NMRE)来扩展蛋白质的构象空间(例如侧链、柔性环、末端),然后对每个构象进行 MD 模拟以映射局部波动。与非动态模型相比,NMRE+MD 模型对不同的骨架核给出了 6-17%更低的均方根(RMS)误差。改进的预测表明,NMR 集合与 MD 模拟可用于获得蛋白质在溶液中的更真实结构图像,并且强调了短时间和长时间尺度动力学对预测的重要性。NMRE+MD 模型的 RMS 误差分别为(1)Hα、(1)HN、(13)Cα、(13)Cβ、(13)CO 和骨架(15)N 化学位移的 0.24、0.43、0.98、1.03、1.16 和 2.39 ppm。该模型在预测程序 4DSPOT 中实现,可在 http://www.uef.fi/4dspot 上获得。

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