Практикум 6

Задание 1

Сравнение предсказаний трансмембранных участков в бета-листовом белке

В качестве белка с трансмембранной β-бочкой я выбрал нуклеозид-специфичный порин Tsx из E. coli. Он расположен во внешней мембране и является каналом, проницаемым (только) для нуклеозидов и дезоксинуклеозидов. Варианты английского названия этого белка — bacterial nucleoside transporter Ts (OPM), nucleoside-specific channel-forming protein Tsx (UniProt), nucleoside-specific porin (Wikipedia). Идентификаторы — P0A927 в UniProt, 1TLY в PDB.

Первичная последовательность этого белка в UniProt и в PDB различается: в UniProt она на 22 аминокислоты длиннее с N-конца и на 6 короче с C-конца. Первые 22 аминокислоты в UniProt размечены как сигнальный пептид; т.к. белок для РСА выделяли из E. coli, логично, что он зрелый и сигнального пептида в нем нет. Лишние 6 аминокислот на конце — это гистидины, потому что авторы струткуры использовали 6-His таг, чтобы выделить белок (Jiqing, van den Berg, 2004). Для DeepTMHMM я решил использовать последовательность из PDB.

Трансмембранные участки, приведенные в OPM и предсказанные DeepTMHMM, перечислены в табл. 1.

Табл. 1. Трансмембранные участки белка Tsx *E. coli*
TM участок	OPM	DeepTMHMM
1	13–22	14–27
2	34–44	32–43
3	48–57	48–58
4	77–85	75–86
5	101–110	96–110
6	122–132	119–131
7	137–146	139–151
8	163–173	161–171
9	181–189	181–193
10	215–224	211–222
11	227–235	227–241
12	262–272	260–270

Графическое представление результата работы DeepTMHMM приведено на рис. 1, текстовая выдача в формате gff лежит здесь.

porin_deeptmhmm_plot — Рис. 1. Графическое представление результатов предсказания структуры с помощью DeepTMHMM. На рисунке снизу показаны вероятность для каждого аминокислотного остатка быть частью относится к мембранному бета-слою (Beta), лежать в межмембранном пространстве (Periplasm), лежать снаружи от внешней мембраны (Outside) или относиться к сигнальному пептиду (Signal). На рисунке сверху показано то же самое в упрощенном виде: даны не все вероятности, а только наибольшая из них

Сначала меня смутило, что на странице и в выдаче DeepTMHMM везде написано просто «Beta» или «Beta sheet», но нигде не сказано, что они имеют в виду именно трансмембранный, но потом я посмотрел в препринт (Hallgren et al, 2022), и там написано, что, конечно, подразумеваются именно такие (ну просто про трансмембранные α-спирали у них написано наоборот только «Membrane»... могли бы быть и последовательнее).

Во-первых, видно, что она нашла кусочек сигнального пептида в начале последовательности, хотя на самом деле его там уже нет. Забавно, что если подать ей всю последовательность белка, то она определит сигнальный пептид правильно (gff).

По табл. 1 видно, что DeepTMHMM нашла все трансмембранные участки, и они все хорошо перекрываются с перечисленными в OPM. Так как какие-то отличия все-таки есть, но просто глядя на цифры что-то понять сложно, я их нарисовал (рис. 2).

porin_Tsx_ecoli — Рис. 2. Предсказание трансмембранных участков белка Tsx. Красным показаны участки, предсказанные как трансмембранные только OPM, желтым — только DeepTMHMM, оранжевым — пересечение предсказаний показано оранжевым. Красным показана сторона мембраны, обращенная наружу от клетки, синим — внутрь, в межмембранное пространство

Границы трансмембранных участков, обращенные к внутренней стороне мембраны, либо совпадают у двух методов, либо находятся чуть ниже (относительно ориентации, как на рисунке) у OPM, за исключением двух кусочков петель, на рисунке справа снизу. Наружная же граница находится всегда выше у DeepTMHMM. В общем, DeepTMHMM решила, что мембрана потолще и белок утоплен в нее поглубже.

Алгоритм из OPM работает, минимизируя энергию Гиббса переноса белка из воды в мембрану, где мембрана представлена как растворитель с меняющимися в пространстве свойствами (рис. 3).

Membrane_profile — Рис. 3. Модеь мембраны, рисунок с сайта OPM (opm.phar.umich.edu/ppm_server). α и β — это способность растворителя выступать соответсвенно донором и акцептором водородных связей, ε — диэлектрическая проницаемость; остальные параметры я не понимаю

Но периплазма наверное может довольно сильно отличаться по этим параметрам от чистой воды; я не знаю, использует ли алгоритм разные модели для разных мембран (наверное использует, зачем иначе спрашивать?); не знаю, где именно проводится граница, по которой разделяются трансмембранные и не-трансмембранные участки. Но если искать причину, по которой результаты DeepTMHMM могут оказаться ближе к правде, чем OTM, я бы предположил некоторую неадекватнось используемой физической модели — что-то вроде «какие-нибудь полисахариды в периплазме образуют водородные связи не так, как вода, поэтому самое выгодное положение белка оказывается на 5 Å глубже».

К сожалению, авторы DeepTMHMM вообще ничего не написали в препринте о том, откуда взялся датасет, на котором они учили модель, поэтому что можно сказать здесь, я не знаю.

Задание 2

Сравнение предсказаний трансмембранных участков в альфа-спиральном белке

Белок, который мне выдали — «неохарактериpизованный белок MG120» из Mycoplasma genitalium (Uncharacterized protein MG120, Y120_MYCGE). Судя по нашедшемся в белке доменам, он транспортный. Там были слова «ABC transporter» и «permease», но это, кажется, противоречит друг другу, поэтому точнее сказать я не могу.

Результаты работы DeepTMHMM представлены на рис. 4, в табл. 2 и в файле.

Я запустил PPM со следующими параметрами: Type of membrane — Gram-positive bacteria inner membrane; Allow curvature — no; Topology (N-ter) — in (потому что так сказала DeepTMHMM). Результаты есть в табл. 2 и в pdb-файле.

Табл. 2. Предсказание трансмембранных участков обсуждаемого белка
TM участок	PPM	DeepTMHMM
1	32–54	34–55
2	77–100	84–98
3	105–122	107–122
4	136–162	138–158
5	166–181	168–185
6	221–240	222–240
7	270–291	270–290
8	312–324	314–324
9	329–344	330–341
10	354–376	358–372

MG120_DeepTMHMM — Рис. 4. Предсказание структуры обсуждаемого белка с помощью DeepTMHMM. Красным отмечены трансмембранные α-спирали

Как видно, оба алгоритма нашли одни и те же трансмембранные участки, и они всегда почти полностью перекрываются; совпадение результатов очень хорошее. Для этого белка я не рисовал трехмерную визуализацию, поэтому ничего нового о причинах тех несущественных отличий, которые все-таки есть, сказать не могу.