На главную страницу четвертого семестра

Мембранные белки

Данные:

• AC UniProt белка для исследования: A0KHU2,
• AC UniProt белка-прототипа: P60844,
• PDB ID белка-прототипа: 1RC2.

Задача.

Предсказать топологию мембранного белка и сравнить предсказание с ориентированной в мембране 3D-структурой белка-прототипа.

Построение парного выравнивания исследуемого белка и заданного прототипа.

Заданный белок - белок аквапорин Z. (A0KHU2_AERHH) из бактериального организма Aeromonas hydrophila subsp. hydrophila. Имеет длину 228 а.о.
Белок-прототип - аквапорин Z. (AQPZ_ECOLI) из Escherichia coli. Состоит из двух цепей, каждая из которых имеет длину 231 а.о. Цепи идентичны, поэтому в дальнейшем будем использовать для исследований цепь А. Представляет собой мембранный канальный белок, который ответствен за осмотическое движение воды в обоих направлениях и резкие изменения осмотического давления в клетке.
Обе последовательности белка прототипа (из БД PDB и БД Uniprot) были выравненны с помощью команды:

needle 1RC2.fasta prototip.fasta pdb_uni.needle -auto.

Результат выравнивания представлен в файле pdb_uni.needle.
По нему видно, что последовательности из разных БД абсолютно одинаковы и последовательность из БД PDB полная. Кроме того, нумерация последней также сохраняется.

Получив последовательность заданного белка через UniProt, построил ее парное выравнивание с последовательностью из PDB:

needle 1RC2.fasta A0KHU2.fasta 1RC2_AERHH.needle -auto

Характеристики выравнивания: процент идентичности 74, процент сходства 81.4
Выравнивание было импортировано в GeneDoc и сохранено в файле marking.msf.

Разметка мембранных сегментов на выравнивании.

По идентификатору PDB белка-прототипа найдите описание ориентации белка в мембране в БД OPM (Orientations of Proteins in Membranes database)

Трансмембранные сегменты: 1(4-26), 2(34-55), 3(64-73), 4(81-102), 5(131-152), 6(161-178), 7(187-196), 8(201-223).

В файле marking.msf ниже последовательности прототипа добавьте последовательность с названием "OPM" и разметкой ТМ сегментов.

Предсказание топологии заданного белка с помощью программы TMHMM

На основе выданных программой результатов к последовательностям в файле marking.msf была добавлена еще одна, четвертая, искусственная последовательность, отражающая предсказание мембранных сегментов для заданного белка:

*

2

0

*

4

0

*

6

0

*

1

R

C

2

:

A

:

M

F

R

K

L

A

A

E

C

F

G

T

F

W

L

V

F

G

G

C

G

S

A

V

L

A

A

G

F

P

E

L

G

I

G

F

A

G

V

A

L

A

F

G

L

T

V

L

T

M

A

F

A

V

G

H

I

S

G

G

H

F

N

P

A

V

T

I

G

L

W

A

G

G

R

F

P

:

7

7

A

0

K

H

U

2

_

A

E

R

:

-

M

K

P

F

A

A

E

F

M

G

T

F

W

L

V

L

G

G

C

G

S

A

V

L

A

A

A

F

P

N

V

G

I

G

L

L

G

V

A

L

A

F

G

L

T

V

L

T

M

A

Y

A

I

G

H

I

S

G

C

H

L

N

P

A

V

T

I

G

L

W

A

G

G

R

F

P

:

7

6

O

P

M

:

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

:

5

5

T

M

H

M

M

:

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

:

4

6

h

h

8

0

*

1

0

0

*

1

2

0

*

1

4

0

*

1

R

C

2

:

A

:

A

K

E

V

V

G

Y

V

I

A

Q

V

V

G

G

I

V

A

A

A

L

L

Y

L

I

A

S

G

K

T

G

F

D

A

A

A

S

G

F

A

S

N

G

Y

G

E

H

S

P

G

G

Y

S

M

L

S

A

L

V

V

E

L

V

L

S

A

G

F

L

L

V

I

H

G

A

T

D

:

1

5

4

A

0

K

H

U

2

_

A

E

R

:

A

S

G

V

L

P

Y

M

V

A

Q

V

L

G

G

I

A

A

A

A

V

L

Y

V

I

A

S

G

Q

A

G

F

D

L

A

A

-

G

F

A

S

N

G

Y

G

E

H

S

P

G

G

Y

S

M

L

A

A

L

V

C

E

V

V

M

T

G

F

F

L

F

V

I

M

G

A

T

D

:

1

5

2

O

P

M

:

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

:

9

9

T

M

H

M

M

:

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

:

9

2

h

1

6

0

*

1

8

0

*

2

0

0

*

2

2

0

*

1

R

C

2

:

A

:

K

F

A

P

A

G

F

A

P

I

A

I

G

L

A

L

T

L

I

H

L

I

S

I

P

V

T

N

T

S

V

N

P

A

R

S

T

A

V

A

I

F

Q

G

G

W

A

L

E

Q

L

W

F

F

W

V

V

P

I

V

G

G

I

I

G

G

L

I

Y

R

T

L

L

E

K

R

D

:

2

3

1

A

0

K

H

U

2

_

A

E

R

:

S

R

A

P

A

G

F

A

P

I

A

I

G

L

C

L

T

L

I

H

L

I

S

I

P

V

T

N

T

S

V

N

P

A

R

S

T

G

V

A

F

F

V

G

D

W

A

L

G

Q

L

W

L

F

W

V

A

P

I

V

G

A

I

L

G

A

L

A

Y

R

A

I

A

T

K

A

-

:

2

2

8

O

P

M

:

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

:

1

5

0

T

M

H

M

M

:

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

+

+

+

+

+

+

+

-

:

1

3

8

H




• красным цветом здесь выделены трансмембранные участки белка,
• синим - выделены внутренние цитоплазматические петли,
• сиреневым - внешние цитоплазматические петли,
• cерым цветом показаны положения одинаковых и очень близких аминокислот в выравнивании заданной последовательности с белком-прототипом. Конечное выравнивание было также сохранено в файле формата Clustal.

Оценка качества предсказания

Сравниваем полученное предсказание с данными ОРМ.

Результаты предсказания топологии мембранного белка A0KHU2_AERHH.

	Число а.к. остатков
Всего а.к. остатков	228
Остатки, предсказанные как локализованные в мембране (всего)	138
Правильно предсказали (true positives, TP)	114
Предсказали не то, что нужно (а.о. предсказаны как мембранные, а по данным ОРМ таковыми не являются, false positives, FP)	24
Правильно не предсказали (не предсказаны, и по данным ОРМ не находятся в мембране, true negatives, TN)	54
Не предсказали то, что нужно (остатки по данным ОРМ находятся в мембране, false negatives, FN)	36
Чувствительность (sensivity) = TP / (TP+FN)	76%
Специфичность (specificity) =  TN / (TN+FP)	69,2%
Точность (precision) = TP / (TP+FP)	82.6%
Сверхпредсказание = FP/ (FP+TP)	17.4%
Недопредсказание = FN / (TN+FN)	40%


В целом получились средние результаты, хотя необходимо учитывать трудность задачи, поставленной перед программой предсказания. Процесс предсказания разметки трансмембранных сегментов вообще еще мало разработан, поэтому точность и чувствительность в 82.6 и 76% являются хорошими показателями. Проценты сверхпредсказания и недопредсказания, как видно из рисунка вравнивания, главным образом, набираются в начале выравнивания, где наблюдается сильный сдвиг разметок относительно друг друга. Следует помнить также, что последовательности исследуемого белка (использованного для предсказания), и прототипа (от которого бралась эталонная разметка) сходны на 80%, а не на 100. И все-таки недопредсказание в целых 40% и картинка выравнивания дает мысль предположить, что TMHMM плохо обнаруживает небольшие мембранные участки белка (в нашем случае предсказания было обнаружено на 2 таких участка меньше, чем в реальном белке).