DeepTMHMM2 enables accurate prediction of transmembrane protein topology and subcellular location

あらゆる生細胞の内部には、内側の世界と外側を隔てる薄い油状の障壁が存在します。膜として知られるこの障壁は、単なる壁ではなく、何が入り、何が出るかを制御する動的な門番です。機能するために、細胞はこの膜の中に位置し、チャネル、センサー、あるいはアンカーとして機能する特別なタンパク質に依存しています。これらのタンパク質の中には、山を貫通するトンネルのように、障壁の端から端まで突き抜けているものもあれば、表面に位置したり、一部だけが沈み込んだりしているものもあります。科学者たちは、膜を完全に横断するタンパク質を長らく特定することができ、膜を貫くセグメントを特定し、それらがどちらの方向を向いているかを判断してきました。しかし、分子構造のかなりの部分が謎のまま残されていました。それは、表面付近に浮遊していたり、反対側まで完全には到達せずに膜の中に沈み込んだりしている部分です。これらのタンパク質の完全な形状と位置を理解することは極めて重要です。なぜなら、その構造がその働きを決定するからです。完全な地図がなければ、細胞がどのように機能するかという私たちの理解は断片的なままになってしまいます。

研究者たちは現在、この失われたパズルのピースを解決するために、DeepTMHMM2と呼ばれる新しいツールを開発しました。従来のメソッドは、膜全体を貫通するタンパク質のセグメントを正確に予測できましたが、より微細な部分的挿入の特定には失敗していました。これらの部分的セグメントには、膜の中に潜り込み、反対側に渡ることなく再び外へ出るリーエントラント（再突入）領域や、膜を完全に貫通することなく境界に沿って位置するインターフェイシャル・ヘリックス（界面ヘリックス）が含まれます。この新システムは、従来のセグメントと並んで、これら非貫通型のセグメントを予測することに成功した初めてのものです。さらに、このツールは、タンパク質が単に「ある」膜の中にいると推測するだけでなく、細胞内にある17種類の異なる生物学的膜のうち、具体的にどの膜に属しているかを特定するという、さらなる一歩を踏み出しています。膨大なデータを用いて学習することで、このツールは、これら捉えどころのない構造を定義する複雑なパターンを認識することを学び、従来の貫通セグメントに対して高い精度を達成すると同時に、これまで見過ごされてきたこれらの特徴をも習得しました。

研究者たちがこの新しいツールを既知のタンパク質の膨大なデータベースに適用したところ、その結果は生命の構造に関する驚くべき真実を明らかにしました。彼らは、これらの非貫通型セグメントが稀な異常ではなく、膜貫通プロテオームの一般的な特徴であることを発見しました。実際、分析によれば、螺旋状に膜を横断するすべてのタンパク質のほぼ4分の1に、インターフェイシャル・ヘリックスが存在していることが示されました。この発見は、これらのタンパク質がどのように構築されているかというイメージを一変させ、それらが以前考えられていたよりもはるかに複雑で多様であることを示しています。このツールは、これらの追加要素を予測することに成功し、膜タンパク質の境界が単なる入り口と出口の単純な線ではなく、生物学的機能に不可欠な、部分的な相互作用による豊かな景観を含んでいることを証明しました。