Четвертый семестр

Трансмембранные белки

  1. Для выполнения данного задания были выбраны следующие альфа-спиральные трансмембранные белки:
    альфа-спиральные трансмембранные белки   Бета-баррели  
    археородпсин-1
    (Halobacterium sp., PDB код 1uaz)    		 деацетилаза липида А PagL
    (Pseudomonas aeruginosa, PDB код 2erv)
    сенсорный белок kdpD
    (Escherichia coli, PDB код 2ksf)     		автотранспортер NalP
    (Neisseria meningitidis, PDB код 1uyn)
    фумарат редуктаза
    (Wolinella succinogenes, PDB код 2bs2)     		фосфолипаза А наружней мембраны
    (Escherichia coli, PDB код 1qd5)
    М2 канал вируса гриппа В
    (Influenza virus, PDB код 2kix)     		альфа гемолизин
    (Staphylococcus aureus, PDB код 7ahl)
    калиевый канал KcsA
    (Streptomyces lividans, PDB код 3eff, полноразмерный белок)     		VDAC-1 канал
    (Homo sapiens, PDB код 2k4t)
    Из выше приведенных структур видно, что (помимо того, что данные белки отличаются по типу элементов вторичной структуры, которые интегрированы в мембрану) данные трансмембранные белки отличаются друг от друга по следующим признакам: мембранные элементы (альфа спирали или бета тяжи могут соединяться посредством внемембранных петель или соединяться посредством цитоплазматической или межклеточной глобулярной частью белка, отличаются по углу расположения трансмембранной части относительно мембраны, еоличеством элеметов в трансмембранной части (причем в случае бета-баррелей количество элементов в основном зависит от диаметра поры, а соответственно и от диаметра соединения, которое переносится через данны канал).
    PDB код Число трансмембранных цепей Тип
    (спираль, баррель)     		Число трансмембранных участков в цепи Число остатков в одном трансмембранном участке
    (среднее, минимальное, максимальное)     		(*) Толщина мембраны в ангстремах
    (расстояние между атомами на границах трансмембранных участков перпендикулярно мембране
    1uaz 1 (A) спираль 7 C=21; min=18; max=23 31,8±1,3Å
    2ksf 1 (A) спираль 4 C=16; min=9; max=21 26,2±4Å
    2bs2 2 (C, F) спираль 10 C=22; min=20; max=24 31,2±1,2Å
    2kix 4 (A, B, C, D) спираль 4 C=24; min=23; max=24 31,8±1,2Å
    3eff 4 (K, L, M, N) спираль 12 C=20; min=12; max=24 31,8±1,3Å
    2erv 1 (A) баррель 8 C=11; min=7; max=12 24,7±1,8Å
    1uyn 1 (X) баррель 12 C=9 min=8; max=11 25,3±1,3Å
    1qd5 1 (A) баррель 12 C=9; min=5; max=12 24,6±1,2Å
    7ahl 7 (A, B, C, D, E, F, G) баррель 14 min=7; max=8, других участков нет 23,5±0,9Å
    2k4t 1 (A) баррель 19 min=6; max=8, примерно с одинаковой вероятностью встречаются участки длины 7 и 8 22,0±1,5Å

    Из таблицы видно, что толщина мембраны для альфа-спиральных трансмембранных белков как правило равна 31,8Å, а в случае бета-баррелей - 24,0Å (И в связи с этим количество аминокислотных остатков, приходящихся на один трансмембранный участок, для бета-баррелей значительно ниже, чем в случае альфа-спиральных белков.
  2. Трансмембранные участки белка P06795 (MDR1_MOUSE)
    3. Помимо белков которые предлагались в задании в выравнивание были добавлены гомологи данного белка: Q8R427 (Q8R427_RAT), P43245 (MDR1_RAT).
    • UNIPROT
      • В ниже приведенной таблице представлены координаты трансмемьанных и цитоплазматических учасктов белка MDR1_MOUSE:

    • TMHMM
      • а следующие данные были получены при помощи прогаммы предсказания трансмембранных спиралей по последовательности (сервис TMHMM ) 
      sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	inside	     1    47
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	    48    70
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	outside	    71   114
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   115   137
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	inside	   138   188
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   189   211
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	outside	   212   215
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   216   238
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	inside	   239   293
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   294   316
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	outside	   317   707
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   708   730
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	inside	   731   750
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   751   773
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	outside	   774   849
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   850   872
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	inside	   873   934
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   935   957
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	outside	   958   971
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	TMhelix	   972   994
sp_P06795_MDR1_MOUSE	TMHMM2.0	inside	   995  1276

    • PDBTM
      • В базе данных PDBTM была найдена запись 3G5U. Ниже приведена иллюстрация расположеня трансмембранных участков данног белка:

      и соответствие а.о. участкам: 
      1-32		неизвестный
33-44		цитоплазматический
45-68		тм 
69-113		внешнемембранный
114-132		тм
133-183		циоплазматический 
184-203		тм
204-214		внешнемембранный
215-234		тм
235-290		цитоплазматический
291-310		тм
311-331		внешнемембранный
332-349		тм
350-626		цитоплазматический
627-683		неизвестно
684-707		цитоплазматический
708-728		тм
729-752		внешнемембранный
753-773		тм
774-828		цитоплазматический
829-847		тм
848-851		внешнемембранный
852-872		тм
873-932		цитоплазматический
933-953		тм
954-972		внешнемембранный
973-990		тм
991-1271	цитоплазматический
1272-1284	неизвестно
      В данном выравнивании (данный белок и белок гомолог, для которого существует рентгеноструктурный анализ) Gene3.msf зеленым цветом покрашены а.о. соответсвующие трансмембарнным спиралям.

    в данном выравнивании all.msf представлены выровненные последовательности всех белков и плюс включены строки с описанием структуры данных белков. Желтым цветом отмечены а.о., которые соответсвуют трансмембранным элементам и совпали во всех случаях предсказания.
  3. Cравнение предсказания при помощи программы TMHMM c предсказанием по гомологу
    4. Стоит отметить, что данная программа (TMHMM) по всей видимости считает, что все альфа спирали погруженные в билипидный слой перпендикулярны ему, т.к. длины всех участков погруженных в мембрану равны 22, т.е. видимо, данная программа ищет участки последовательности наиболее гидрофобные и при этом соответствующие длинне 22 а.о. на один трансмембранный элемент.
      Число а.к. остатков
    Всего а.к. остатков в последовательности 1276
    Остатки, предсказанные TMHMM как локализованные в мембране (всего) 220
    Правильно предсказали - совпадают с 3D предсказанием (true positives, TP) 165
    Предсказали не то, что нужно (а.о. предсказаны как мембранные, а по данным 3D таковыми не являются, false positives, FP) 55
    Правильно не предсказали ( не предсказаны, и по данным 3D не находятся в мембране, true negatives, TN) 979
    Не предсказали то, что нужно (остатки по данным 3D находятся в мембране, false negatives, FN) 77
    Чувствительность (sensivity) = TP / (TP+FN) 0,681818182
    Специфичность (specificity) =  TN / (TN+FP)  0,946808511
    Точность(precision) = TP /(TP+FP) 0,75
    Сверхпредсказание = FP/ (FP+TP) 0,25
    Недопредсказание = FN / (TN+FN) 0,072916667
таким образом получается, что метод реализуемый в TMHMM предсказывает практически все а.о., входящие в состав трансмембранных элементов (непредсказанными остались только 7,3% а.о.), но в то же время довольно большой процент сверхпердсказанных а.о. (25%).
  • Правило "positive inside"
    • Из базы данных OPM был скачан файл с описанием трехмерной структуры белка 3G5U. Ниже приведена структура данного белка:

    Ниже на рисунке представлен белок в проволочной моделе, положительно заряженные аминокислотные остатки выделены красным цветом (решил выделять именно остатки а не атомы, т.к. в данном случае изображение более иллюстративно), отрицательно заряженные - синим. как видим практически все заряженные аминокислотные остатки находятся в цитоплазме или во внеклеточном пространстве.

  • TCDB

    • Для поиска кода TCDB для белка P06795 (MDR1_MOUSE) воспользовался сервисом BLAST. Наилучшая находка
    >gnl|TC-DB|P08183 3.A.1.201.1 Multidrug resistance protein 1 (P-glycoprotein 1) - Homo sapiens (Human).
    (характеристики находки:
    Score = 1948 bits (5046), Expect = 0.0 Identities = 996/1281 (77%), Positives = 1110/1281 (86%), Gaps = 8/1281 (0%))
    TCDB код данного белка 3.A.1.201.1 Расшифровка кода:
    3.A.1.201 - семейство (ABCB) экспортеров, устойчивых к большому классу лекарственных препаратов(MDR). (The Multidrug Resistance Exporter (MDR) Family (ABCB)) 3.A.1.201.1 - широкоспецифичные MDR насосы, осуществляющие экспорт органических катионов и амфифильных соединений различной структуры. Например, антибиотиков, гистаминов, ингибиторов протеазы, депресантов и др. Pgp также экспортируют иммуноспрессанты, детергенты, жирные кислоты с длинной углеводородной цепью, ингибиторы протеазы ВИЧ, обеспечивают экспорт пептидов, фосфолипидов (например,фосфотидилсерина), холестирина и др. . Возможно, связывает и транспортирует ингибиторы и агонисты SUR.
    (Broad specificity multidrug resistance (MDR) efflux pump (exports organic cations and amphiphilic compounds of unrelated chemical structure) ( These include: anti-biotics, viral agents, cancer agents, hypertensives, depressants, histamines, emetics, and the protease inhibitor, lopinavir. Pgp also exports immunosuppressants, detergents, long-chain fatty acids, HIV protease inhibitors, synthetic tetramethylrosamine analogues, calcein M, etc.); peptide efflux pump; phospholipid (e.g., phosphatidyl serine), cholesterol and sterol flippase (also called ABCB1 and p-gp)). Binds and probably transports inhibitors and agonists of SUR (2.A.1.208.4) (Bessadok et al., 2011).)
    ©Анисенко Андрей