[논문]단백질 3차 하위구조 비교 시스템 설계

유남희; 정광수; 손교용; 정용제; 류근호

[국내논문] 단백질 3차 하위구조 비교 시스템 설계
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생명체 내에서 기능 수행 시 각종 물질들이나 단백질들끼리 상호결합을 해야 한다. 이런 결합성을 결정짓는 것들이 단백질의 3차원 구조이기 때문에 단백질 구조연구는 중요하다. 이 논문에서는 단백질 구조데이터 및 관련된 구조정보의 통합된 데이터베이스를 구축하고 웹 환경에서 질의된 단백질과 유사성 비교를 진행하여 그 결과 및 연관된 정보를 검색하여 체계적으로 정보를 제공하는 단백질 구조 비교시스템을 제안한다. 제안 시스템을 구축하기 위하여 공개용 단백질 구조데이터 저장소인 Protein Data Bank의 플랫파일에서 필수적인 구조데이터정보만을 추출하여 여기에서 단백질의 하위구조 생성 알고리즘을 적용하여 데이터베이스를 구축한다. 사용자가 인터넷을 통하여 진행한 질의는 하위구조처리 모듈을 통하여 하위구조를 생성하고 구조유사부분에 대해 RMSD값이 계산되고 이와 연관된 구조정보의 검색이 진행 된 후 체계적으로 출력화면에 보여준다. 제안 시스템은 단백질의 전체적인 서열과 구조 정보를 이용하지 않고서, 단백질 기능을 결정하는 핵심영역을 포함하는 표면을 효과적으로 비교함으로써 기존의 구조비교 시스템보다 빠른 검색과 상세한 분석을 지원한다.

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문제 정의

이 논문에서 우리는 웹 기반으로 단백질의 3차구조를 하위구조데이터베이스와 비교하여 새로운 구조가 이미 알려진 임의의 구조와 유사성을 가지고 있는지 검색한다. 따라서 기존 단백질의 구조정보도 주석데이터베이스로 시스템에 구축하여 관련구조 정보를 사용자에게 보여준다.
[1] 서열의 잘 보존된 부분의 유사성을 통해 단백질의 특정 부분의 기능을 예측할 수 있는 것처럼 구조의 부분 유사성 또한 특정 부분의 기능을 예측할 수 있다. 이 논문에서는 단백질의 기능을 예측할 수 있는 구조의 부분 유사성 비교시스템을 제안한다.

제안 방법

PDB 파일로부터 활성 사이트를 포함하는 표면정보만을 얻기 위해 Rasmol을 이용하여 표면 아미노산 잔기들만을 얻는다. 우리 시스템은 단백질 구조로부터 얻을 수 있는 가장 기본이 되는 정보인 골격을 형성하는 C_α원자와 단백질 기능을 결정하는 아미노산 곁사슬 C_β의 좌표정보만을 사용하기 때문에 원본 PDB 플랫파일에서 하위구조검색에 필요한 데이터들만 추출한다.
하위구조 데이터 저장기는 단백질 하위구조 생성 모듈 통해 생성된 하위구조들을 데이터베이스에 저장한다. 구조 주석 정보 저장기는 하위 구조비교의 결과와 함께 비교된 단백질의 주석정보도 저장하여 인터페이스에 보여줌으로써 단백질 구조 유사 부분뿐만 아니라 주석정보에 대해서도 비교 분석할 수 있도록 한다. 하위구조 데이터 자동 갱신기는 새로 배포된 PDB 엔트리들을 주기적으로 다운로드하여 구조데이터를 추출하고 새로운 플랫파일형식에 맞추어 하위구조 데이터베이스를 구축한다.
질의 구문 분석은 검색 질의어로 들어온 구문을 분석하여 PDB 플랫파일을 추출한다. 구조 질의 처리는 질의 구문분석을 통해 얻은 PDB 플랫파일을 단백질 하위구조 생성모듈로 이동하여 SQL을 이용하여 단백질 하위구조 데이터베이스에 접근한다. 검색 결과 브라우징은 사용자의 질의를 받아서 하위구조비교와 주석데이터검색을 진행한 후 다시 웹을 통하여 결과를 보여준다.
이 단백질과 연관된 구조주석 정보는 우리가 설계한 데이터베이스에 저장된다. 그리고 사용자가 웹을 통하여 전송한 단백질 구조 혹 단백질 식별자 코드로 우리가 제안한 하위구조 비교시스템[6]을 이용하여 하위구조 비교가 진행된다. 질의 단백질과 데이터베이스 내 단백질의 구조적을 매치되는 부분과 RMSD[7]값이 단백질의 주석정보와 함께 사용자에게 보여준다.
단백질 하위구조 처리 모듈은 구조질의처리 컴포넌트와 공개용 단백질 구조 데이터베이스에서 추출한 구조 파일에서 필요한 구조정보만 파싱하여 하위구조를 정의하여 거리기반 매트릭스를 구축하여 새로운 플랫파일을 생성한다. 새로운 플랫파일에서 RMSD로 구조유사도를 비교한 다.
이 시스템은 PDB로부터 단백질의 플랫파일을 다운로드하고 하위구조비교프로그램에 필수적인 C_α원자와 C_β원자의 정보를 데이터를 이용하여 거리기반 매트릭스로 새로운 플랫파일형태로 저장한다. 그리고 기타 구조관련 필요한 데이터는 주석데이터베이스에 구축한다.
검색 질의어 빌더는 단백질의 식별자 코드와 구조, 이름 등 과 AND와 OR 연산자를 이용하여 검색 할 수 있다. 질의 구문 분석은 검색 질의어로 들어온 구문을 분석하여 PDB 플랫파일을 추출한다. 구조 질의 처리는 질의 구문분석을 통해 얻은 PDB 플랫파일을 단백질 하위구조 생성모듈로 이동하여 SQL을 이용하여 단백질 하위구조 데이터베이스에 접근한다.
하나의 하위구조인 삼각형 두 개에서 표현된 6개의 점들을 이용해 모든 거리를 구한다. 하위구조에서 계산될 각각의 C_α와 C_β원자의 모든 거리 값을 매트릭스형태로 생성한다.

데이터처리

데이터베이스에 저장된 하위구조들과 Root Mean Square Distance를 이용하여 구조유사도 비교한다. RMSD는 점들 사이의 기하학적 유사성을 결정하는 가장 기본적인 방법으로 점들 사이의 1대1 비교를 필요로 한다.

후속연구

하지만 우리 연구의 단백질 하위구조 비교시스템으로 정확한 단백질의 기능 후보들을 선별하기 낼 수 있다면 실험 시간과 비용을 획기적으로 축소시킬 수 있다. 또한 단백질은 생물체 내의 물질대사에 직접 작용하므로 연구 결과를 신약개발이나 생물의 생명현상을 밝히는데 응용할 수 있다.
그리하여 구조 비교와 단백질 연구에 필요한 데이터는 보다 빠르게 검색되고 사용자가 검색할 때 구조 정보결과가 상세하게 보여질 수 있다. 향후연구로는 단백질 하위구조에서 매치되는 부분을 시각적으로 보여줌으로서 보다 직관적으로 분석할 수 있도록 시스템을 업그레이드할 예정이다.

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