화학적인 변화 지표

화학적인 변화 지표(, CSI)는 단백질 핵자기 공명 분광법에서 널리 사용되는 기술로, 단백질에서 발견되는 단백질의 2차 구조(베타 가닥, 나선 및 무작위 코일 영역)의 위치(즉, 시작과 끝)와 유형을 화학적 이동 데이터만을 사용하여 표시하고 식별하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 1992년 데이비드 S. 위샤트가 1Hα 화학적 이동을 분석하기 위해 개발했으며, 1994년에는 13C 골격 이동을 포함하도록 확장되었다. 원래의 CSI 방법은 알파 나선 내 아미노산 잔기의 1Hα 화학적 이동이 무작위 코일 값에 비해 업필드(즉, NMR 스펙트럼의 오른쪽으로) 이동하는 경향이 있고, 베타 가닥에서는 다운필드(즉, NMR 스펙트럼의 왼쪽으로) 이동하는 경향이 있다는 사실을 활용한다. 유사한 종류의 업필드 및 다운필드 경향은 골격 13C 화학적 이동에서도 감지할 수 있다.

 구현 
CSI는 기본적으로 아미노산 특이적 디지털 필터를 사용하여 할당된 모든 골격 화학적 이동 값을 간단한 3가지 상태(-1, 0, +1) 지수로 변환하는 그래프 기반 기술이다. 이 접근 방식은 단백질 화학적 이동 값의 그래프를 더 쉽게 이해하고 시각적으로 훨씬 더 보기 좋게 만든다. 특히, 특정 잔기의 업필드 1Hα 화학적 이동(아미노산 특이적 무작위 코일 값에 비해)이 > 0.1 ppm이면, 해당 아미노산 잔기에는 -1의 값이 할당된다. 유사하게, 특정 아미노산 잔기의 다운필드 1Hα 화학적 이동이 > 0.1 ppm이면 해당 잔기에는 +1의 값이 할당된다. 아미노산 잔기의 화학적 이동이 충분한 양만큼 다운필드 또는 업필드 이동하지 않으면(즉, <0.1 ppm), 0의 값이 주어진다. 이 3가지 상태 지수를 단백질 서열 전체 길이에 걸쳐 막대 그래프로 그리면, 간단한 검사를 통해 베타 가닥(+1 값의 클러스터), 알파 나선(-1 값의 클러스터) 및 무작위 코일 세그먼트(0 값의 클러스터)를 식별할 수 있다. CSI 계산을 위한 아미노산 특이적 무작위 코일 화학적 이동 목록은 표 1에 나와 있다. 작은 단백질에 대한 CSI 그래프의 예시는 그림 1에 나와 있으며, 검은색 막대 위에 있는 화살표는 베타 가닥의 위치를 나타내고 직사각형 상자는 나선의 위치를 나타낸다.

+표 1. CSI 잔기 특이적 1Hα 무작위 코일 이동 아미노산  1Hα 무작위 코일 이동 (ppm)  아미노산  1Hα RC 이동 무작위 코일 이동 (ppm) Ala (A)  4.35  Met (M)  4.52 Cys (C)  4.65  Asn (N)  4.75 Asp (D)  4.76  Pro (P)  4.44 Glu (E)  4.29  Gln (Q)  4.37 Phe (F)  4.66  Arg (R)  4.38 Gly (G)  3.97  Ser (S)  4.50 His (H)  4.63  Thr (T)  4.35 Ile (I)  3.95  Val (V)  3.95 Lys (K)  4.36  Trp (W)  4.70 Leu (L)  4.17  Tyr (Y)  4.60

 성능 
1Hα 화학적 이동과 간단한 클러스터링 규칙(베타 가닥의 경우 3개 이상의 수직 막대 클러스터, 알파 나선의 경우 4개 이상의 수직 막대 클러스터)만을 사용하여 CSI는 2차 구조 식별에 일반적으로 75-80% 정확하다. 이 성능은 NMR 데이터 세트의 품질뿐만 아니라 단백질 2차 구조를 식별하는 데 사용되는 기술(수동 또는 프로그래밍 방식)에 부분적으로 의존한다. 위에서 언급했듯이, 1Hα 이동과 유사한 방식으로 13Cα, 13Cβ 및 13C' 원자의 업필드/다운필드 화학적 이동 변화를 필터링하는 합의 CSI 방법도 개발되었다. 합의 CSI는 골격 1H 및 13C 화학적 이동의 CSI 플롯을 결합하여 단일 CSI 플롯을 생성한다. 이는 최대 85-90%까지 정확할 수 있다.

 역사 
단백질 화학적 이동과 단백질 2차 구조(특히 알파 나선) 사이의 연관성은 1967년 존 마클리와 동료들에 의해 처음 기술되었다. 현대 2차원 NMR 기술의 발전으로 더 많은 단백질 화학적 이동을 측정하는 것이 가능해졌다. 1980년대 초반에 더 많은 펩타이드와 단백질이 할당되면서 아미노산 화학적 이동이 나선형 구조뿐만 아니라 β-가닥 구조에도 민감하다는 것이 곧 분명해졌다. 특히, 모든 아미노산의 2차 1Hα 화학적 이동은 나선 형성 시 명확한 업필드 경향을 보이고, β-병풍 형성 시 명확한 다운필드 경향을 나타낸다. 1990년대 초반까지, 펩타이드와 단백질에 대한 충분한 13C 및 15N 화학적 이동 할당이 수집되어 본질적으로 모든 골격 13Cα, 13Cβ, 13C', 1HN 및 15N(약하게) 화학적 이동에서도 유사한 업필드/다운필드 경향이 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현저한 화학적 이동 경향이 화학적 이동 지수 개발에 활용되었다.

 한계 
CSI 방법에는 몇 가지 단점이 있다. 특히 화학적 이동 할당이 잘못 참조되었거나 불완전하면 성능이 저하된다. 또한 2차 이동 계산에 사용되는 무작위 코일 이동의 선택에 매우 민감하며, 무작위 코일 이동 선택과 관계없이 일반적으로 베타 가닥(<75% 정확도)보다 알파 나선(>85% 정확도)을 더 잘 식별한다. 또한 CSI 방법은 β-회전과 같은 다른 종류의 2차 구조를 식별하지 않는다. 이러한 단점 때문에 CSI와 유사한 여러 대안적인 접근 방식이 제안되었다. 여기에는 다음이 포함된다: 1) 통계적으로 도출된 화학적 이동/구조 전위(PECAN)를 사용하는 예측 방법; 2) 2차 구조 식별에 대한 확률론적 접근 방식(PSSI); 3) 서열 데이터와 화학적 이동 데이터로부터의 2차 구조 예측을 결합하는 방법(PsiCSI); 4) 미리 지정된 화학적 이동 패턴을 사용하는 2차 구조 식별 접근 방식(PLATON) 및 5) 2DCSi로 알려진 2차원 클러스터 분석 방법이 있다. 이러한 새로운 방법의 성능은 일반적으로 원래 CSI 방법보다 약간 더 좋다(2-4%).

 유용성 
1992년 처음 기술된 이래 CSI 방법은 수천 개의 펩타이드와 단백질의 2차 구조를 특성화하는 데 사용되어 왔다. 그 인기는 주로 이해하기 쉽고 전문적인 컴퓨터 프로그램 없이도 구현할 수 있다는 사실 때문이다. CSI 방법은 수동으로 쉽게 수행할 수 있지만, NMRView와 같은 여러 일반적으로 사용되는 NMR 데이터 처리 프로그램과 CS23D와 같은 NMR 구조 생성 웹 서버, 그리고 RCI, Preditor 및 PANAV와 같은 다양한 NMR 데이터 분석 웹 서버는 CSI 방법을 소프트웨어에 통합했다.

 같이 보기 
 화학적 이동
 무작위 코일 지수
 단백질 NMR
 단백질 화학적 이동 재참조
 단백질의 2차 구조
 단백질 화학적 이동 예측
 NMR
 핵자기 공명 분광법
 단백질 핵자기 공명 분광법
 단백질

 각주 

 외부 링크 
 CSI calculations via RCI webserver
 CSI calculations via Preditor webserver
 Stand-alone CSI program for Linux/Unix
 Chemical shift rereferencing for CSI calculations by Shiftcor
 Chemical shift rereferencing for CSI calculations  by PANAV 

분류:단백질 구조
분류:생물물리학
분류:단백질 기법
분류:핵자기 공명
분류:과학 기술