DeepTMHMM2 enables accurate prediction of transmembrane protein topology and subcellular location

在每一个活细胞内部，一层薄薄的、油性的屏障将内在世界与外界分隔开来。这层被称为膜的屏障不仅仅是一堵墙，更是一个控制物质进出的动态守门人。为了发挥功能，细胞依赖于位于这层膜中的特殊蛋白质，它们充当着通道、传感器或锚点的角色。其中一些蛋白质完全穿透了这层屏障，就像贯穿山脉的隧道；而另一些则位于表面或仅部分深入其中。长期以来，科学家们已经能够绘制出那些完全穿透膜的蛋白质图谱，识别出它们刺穿膜的部分并确定它们的朝向。然而，很大一部分分子结构仍然是一个谜：即那些悬浮在表面附近或仅部分切入而从未完全穿透到另一侧的部分。了解这些蛋白质的完整形状和位置至关重要，因为它们的结构决定了它们的功能，而如果没有完整的图谱，我们对细胞运作方式的理解将始终是碎片化的。

研究人员现在开发了一种名为 DeepTMHMM2 的新工具，用以解决这一缺失的拼图碎片。虽然以往的方法可以准确预测蛋白质中跨越整个膜的部分，但它们无法识别那些更为微妙的部分插入。这些部分插入包括“重入区”（re-entrant regions），它们深入膜内后又折返出来而未完成穿越，以及“界面螺旋”（interfacial helices），它们沿着膜的边界排列而未完全渗透进去。这个新系统是首个能够成功预测这些非穿越片段以及传统穿越片段的系统。此外，它更进一步，能够精确判定蛋白质属于细胞中十七种不同生物膜中的哪一种，而不仅仅是猜测它处于“某个”膜中。通过在海量数据上进行训练，该工具学会了识别定义这些难以捉摸结构的复杂模式，在实现对标准穿越片段高精度预测的同时，也掌握了这些此前被忽视的特征。

当研究人员将这一新工具应用于大规模已知蛋白质数据库时，结果揭示了关于生命架构的一个惊人真相。他们发现，这些非穿越片段并非罕见的异常现象，而是跨膜蛋白质组的一个常见特征。事实上，分析显示，在所有呈螺旋状跨越膜的蛋白质中，近四分之一都存在界面螺旋。这一发现改变了人们对这些蛋白质构建方式的认知，表明它们比此前认为的更加复杂且多样化。该工具成功学会了预测这些额外的元素，证明了膜蛋白的边界不仅仅是简单的进入与退出线，还包含了一个对于生物功能至关重要的、由部分相互作用构成的丰富景观。