Гомологичное моделирование комплекса белка с лигандом

Для работы был взят лизоцим бактериофага PS119 - LYS_BPPS1.
Программе MODELLER для моделирования структуры белков, в качестве входных данных нужны:

  • управляющий скрипт
  • файл pdb со структурой-образцом
  • файл выравнивания с дополнительной информацией.

Построение выравнивания

Построим выравнивание последовательности из структуры PDB ID: 1lmp и белка LYS_BPPS1 при помощи программы ClustalW и сохраним полученное выравнивание в формате PIR.

Модификация выравнивания

Последовательность в файле выравнивания переименовали как в примере: P1;seq и P1;1lmp. После имени последовательности моделируемого белка добавим строчку (описывает входные параметры последовательности для modeller): 

sequence:ХХХХХ::::::: 0.00: 0.00
После имени последовательности белка-образца добавим строчку (описывает, какой файл содержит структуру белка с этой последовательностью, номера первой и последней аминокислот в структуре, идентификатор цепи...): 
structureX:1lmp_now.ent:1 :A: 132 :A:undefined:undefined:-1.00:-1.00
В конце каждой последовательности добавим символы: 
/.
"/" конец цепи белка
"." один лиганд
Получили файл - aligned.pir.

Модификация файла со структурой

Удалим всю воду из структуры (в текстовом редакторе). Затем всем атомам лиганда присвойте один и тот же номер "остатка" (MODELLER считает, что один лиганд = один остаток) и модифицируем имена атомов каждого остатка, добавив в конец буквы A, B, C. Смысл операции в том, что атомы остатка 130 имели индекс А, атомы остатка 131 имели индекс В и т.д. Сохраним новый файл как 1lmp_now.ent

Создание управляющего скрипта lys_bpps1.py

Дана заготовка скрипта. Необходимо ее модифицировать - отредактировать строчки, в которых указано, какие водородные связи белка с лигандом должны быть в будущей модели. Для этого нужно определим, какие водородные связи между белком и лигандом присутствуют в образце (Рис.1). В пробном белке 167 а.к., значит номер "остатка" лиганда 168, а номера остатков в белке надо определяем согласно выравниванию. Так же "цепь" лиганда будем обозначать "В", т.к. в выравнивании конец цепи белка обозначался "/", т.е. лиганд - новая цепь.

Рис.1. Водородные связи между белком и лигандом в структуре 1lmp
Было Стало
N:109:A - O6:130:A N:105:A - O6C:168:B
O:107:A - N2:131:A O:103:A - N2B:168:B
N:59:A - O7:131:A N:54:A - O7B:168:B
Запустим исполнение скрипта командой: 
mod9v7 lys_bpps1 &
После запуска скрипта мы получили пять моделей вирусного белка с лигандом:

Сравнение полученных моделей

Все модели в участке контакта с лигандом (да и везде вообще) очень похожи друг на друга, поэтому визульно оценить их качество нельзя. Есть некоторые расхождения наблюдаются в петлях и N-конце, который никак не структурирован, так как в структуре образца его не было.

Рис.2. Зона контакта между белком и лигандом в структуре вирусного лизоцима

Для оценки качества моделей воспользуемся инструментами веб интерфейса WHATIF. По результатам, представленным в таблице (Structure Z-scores, positive is better than average), все модели получились плозими, и выбрать среди них одну самую лучшую сложно. Вероятно, такое низкое качество моделей можно объяснить слишком короткой длиной полипептидной цепи образца.

Feature/Model 1 2 3 4 5
Resolution read from PDB file -1.000 -1.000 -1.000 -1.000 -1.000
1st generation packing quality -4.996 -4.825 -4.906 -5.160 -5.192
2nd generation packing quality -6.067 -6.223 -5.907 -6.135 -6.241
Ramachandran plot appearance -1.449 -1.389 -1.661 -1.475 -1.672
chi-1/chi-2 rotamer normality -1.688 -2.492 -1.973 -2.306 -1.284
Backbone conformation -1.562 -1.530 -1.384 -1.629 -1.856
Inside/Outside distribution 1.176 1.181 1.161 1.178 1.155

Скрипт для получени картинок в PyMol - script.pml.