>

Учебный сайт Макаровой Надежды

Совмещение структур

Для работы был выбран белок с PDB ID: 1MQ7 (цепь A) 154 а.о.. Это дУТФ нуклеотидгидролаза (далее dUTP-ase) из бактерии MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS. Относится к классу гидролаз. Образует гомотример. Далее идет анализ одной субъединицы. С помощью сервиса PDBeFold были найдены структурные гомологи этого белка.
В таблице 1 представлена краткая характеристика 4 выбранных гомологов с RMSD в диапазоне от 0.8 до 2.5 и длиной выравнивания более 50% от длины Query. На Рисунке 1 изображено наложение структур гомологов на структуру 1MQ7

Таблица 1. Характеристика выбранных структур, гомологичных dUTP-ase из бактерии MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS . (1MQ7, цепь A), по результатам поиска в PDBeFold.
PDB Организм Длина белка (а.о.) Длина выравнивания (а.о.) RMSD
2oke:C Vaccinia virus 147 123 1.22
4ooq:A Arabidopsis thaliana 166 124 1.25
1q5u:X Homo sapiens 147 126 1.28
1euw:A Escherichia coli 152 128 1.34

Структурное совмещение было выполнено с помощью сервиса PDBeFold (результат в формате PDB). Структурное выравнивание было скачано в формате fasta.

Рисунок 1. Совмещение структур dUTP-ase из MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS (1MQ7, желтая цепь) со структурами гомологов из разных организмов:
Vaccinia virus (2oke:C, зеленая цепь), Arabidopsis thaliana (4ooq:A, синяя цепь),
Homo sapiens (1q5u:X, розовая цепь), Escherichia coli (1euw:A, красная цепь).
Представлены изображения по ribbon (справа) и cartoon (слева)

  • Можно наблюдать, что несмотря на большое различие между организмами структуры ихбелков хорошо согласуются и накладываются друг на друга. Основные отличия наблюдаются в участках петель. Разметки вторичных структур так же согласуются.

    Теперь сравним выравнивание по структуре и множественное выравнивание по последовательности. Для этого построим множественное выравнивание при помощи программы Muscle . На вход программе подавались следующие последовтельности белков . Результат программы можно скачать по ссылке. НА Рисунке 2 представлено выравнивание, полученное программой Muscle. На Рисунке 3 представлено выравнивание по структуре из PDB-fold.

    Рисунок 2. Выравнивание по структуре PDB-fold.Окраска ClustalX.

    Рисунок 3. Множественное выравнивание по последовательности Muscle.Окраска ClustalX.

    PDB-fold дает выравниваниие, которое включает только участок последовательности, а не выравнивание белковых последовательностей по всей длине. ПОэтому главные несовпадения на концах выравниваний. Однако есть и другие отличия. Рассмотрим два из них.
    На Рисунке 4a представлен один из таких участков выравнивания, а на рисунке 4b - соответствующие аминокислотные остатки в наложении структур.

    Рисунок 4а. Участок 1 с несоответствием выравнивания по структурам выравниванию по последовательности.

    Рисунок 4b.Положение аминокислот в области несовпадения в выравниваниях по структурам и по последовательностям.
    Vaccinia virus (2oke:C, зеленая цепь), Arabidopsis thaliana (4ooq:A, синяя цепь),
    Homo sapiens (1q5u:X, розовая цепь), Escherichia coli (1euw:A, красная цепь).
    MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS (1MQ7, желтая цепь)

    В данном случае при структурном выравнивании произошла ошибка. Серин, очевидно, должен находится в полность консервативной колонке серинов. Если взглянуть на наложение структур, то можно увидеть, почему это произошло. Пептидная связь между серином 66 (нумерация по последовательности белка 1mq7) и глицином 67 находится в цис конформации. Это не дало программе включить серин в консервативную колонку и явилось следствием смещения последующих трех аминокислот (G, L, A). Однозначно, правильное выравнивание здесь - выравнивание по последовательностям.

    Как пример того, что струткурное выравнивание иногда бывает более полезно, чем выравнивание по последовательности, рассмотрим нессответсвие, которое представлено на Рисунках 5а (участок выравнивания) и 5b (наложение структур).

    Рисунок 5а. Участок 2 с несоответствием выравнивания по структурам выравниванию по последовательности.

    Рисунок 5b.Положение аминокислот в области несовпадения в выравниваниях по структурам и по последовательностям (колонка 35 по выравниванию PDB-fold).
    Vaccinia virus (2oke:C, зеленая цепь), Arabidopsis thaliana (4ooq:A, синяя цепь),
    Homo sapiens (1q5u:X, розовая цепь), Escherichia coli (1euw:A, красная цепь).
    MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS (1MQ7, желтая цепь)

    В структуре, отмеченной красным цветом (Escherichia coli 1euw:A) наблюдается выпетливание. До и после этого выпетливания структуры хорошо накладываются. Так что в этом случае структурное выравнивание несет больше информации и будет более правильным, чем выравнивание по последоватлеьности.

    Совмещение по заданному выравниванию

    Для совмещения по заданному выравниванию были выбраны два домена:

  • d:115-191 структуры 2bnr из α-цепи (Рисунок 6a)
  • e:119-247 структуры 1fyt из β-цепи (Рисунок 6b)

    Рисунок 6a. Структура 2bnr. Цветом выделен участок d:115-191 - домен α-цепи Т-клеточного рецептора.

    Рисунок 6b. Структура 1fyt. Цветом выделен участок e:119-247 - домен β-цепи Т-клеточного рецептора.

    С помощью сервиса SheeP были построены карты β-листов в каждой цепи (Рисунок 7а и 7b).

    Рисунок 7a. Карта β-листов для α-цепи Т-клеточного рецептора.

    Рисунок 7b. Карта β-листов для β-цепи Т-клеточного рецептора.

    Совмещение структур производилось по β-листу, содержащему консервативный цистеин ( Cys139 в цепи альфа и Cys148 в цепи бета) 

    select alpha_, 2bnr and chain D and resi 124-126+136-138+177-179
select beta_, 1fyt and chain E and resi 129-131+147-149+194-196
pair_fit alpha_, beta_
    На рисунке 8 представлено полученное совмещение. Файл с совмещенными структурами можно скачать по ссылке.

    Рисунок 8. Полученное совмещение структур α-цепи (красный) и β-цепи (желтый). Участки β-листов, использовавшиеся в качестве затравки выравнивания, выделены зеленым и синим.

  • Чтобы сделать вывод о сходстве и/или различии топологий, сравнивались вся α-цепь (красный цвет) и только часть β-цепи (желтый цвет), которая выравнивается с листом на альфа-цепи
  • В целом, структуры выравнялись довольно неплохо: ход β-тяжей (3 больших и 2 маленьких) совпадает, а также некоторые петли также расположены одинаковым образом.
  • Сравнение участков структур, начиная с первого β-тяжа представлено в Таблице 2:
    Таблица 2. Подробное сравнение участков выравнивания между α- и β- цепями
    α-цепь β-цепь
    β-тяж β-тяж
    петля (нерегулярная структура) петля (с α-спиралью)
    β-тяж β-тяж
    петля (нерегулярная структура) петля (с двумя β-тяжами)
    β-тяж β-тяж
    петля ( с β-тяжем и небольшой α-спиралью) петля (с небольшим β-тяжем)
    β-тяж β-тяж
    α-спираль (не выравнены) α-спираль (не выравнены)

    Так как ход цепи совпадает как по β-тяжам, так и по петлям, можно сделать вывод о сходстве топологий данных участков из α- и β- цепей Т-клеточного рецептора. Но надо учесть, что есть вариативность в петлевых участках (имеется в виду, участках между β-тяжами)