ProDy-2. ЯМР vs РСА

Задание 1. Вводное

Хотим найти отличия между структурами на макро- и микроуровнях, полученными методами NMR (PDBid 6TO6) и RSA (6TRI) для комплекса репрессора хлорид-иона + антирепрессора modulator of repression (MOR). Название белка громоздкое и будет немного ясно, что он такое, узнав, что он делает. Вкратце, это контроллер генетического переключателя между литическим и лизогенным жизненными циклами умеренных бактериофагов, который работает после заражения фагом клетки хозяина.

Мы приводим изображение наслоения ансамбля моделей NMR (голубые) на модель RSA (черная).

На макроуровне (в пределах одной цепи) модели выглядят одинаково: один и тот же набор структурных элементов, располагающихся в одном и том же порядке. Нет сильных различий.

На микроуровне структуры различаются. Хотя бы один вариант из ансамбля структур из NMR будет не совпадать по положению крайних участков молекулы с структурой из РСА. Особенно сильно различается положение крайних петель, чей набор пространственных ограничений обычно недостаточно большой, чтобы в методе NMR точно указать одну единственно законную структуру белка. И множество возможных вариантов порождает различия.

Задание 2

Если представить себе ситуацию, когда ансамбль моделей NMR представляет собой отражение эволюции системы во времени. В таком случае имеет смысл построить зависимость меры подвижности отдельных участков молекулы (RMSF) от соответствующих значений B-факторов. Так мы сможем прикинуть, в какой мере ансамбль моделей в записи PDB, полученной методом ЯМР, есть отражение подвижности белка.

Мы построили scatter-plot зависимости RMSF от B-factor. И опять видим слабую зависимость, как и в случае зависимости B-фактора остатка от его расстояния до центра масс белка. Значит, прямого отношения между факторами нет. И не выходят из головы погрешности, пришедшие из эксперимента, хотя мы здесь и договорились считать, что все идеально. В любом случае, мы не докопаемся до истины, если будем опираться исключительно на B-факторы при поиске причин неполноты данных ЯМР.

3 задание

Выберем три пары водородных связей, между атомами, которые находятся в разных участках белка. Будет интересно

узнать по набору из 20 моделей полученных ЯМР для нашего контроллера генетического преключателя атомы каких участков молекулы чаще образуют друг с другом водородные связи.

Участок номер 1: водородная связь между остовными атомами белкового ядра. Сразу приходит в голову водородная связь между азотом iго остатка и карбонильным кислородом i+3го остатка на альфа спирали. Здесь это остатки L49 и H53.

Следующая водородная связь образована между боковыми радикалами K36 и E47, которые лежат в ядре белка, хотя заряженную и полярную аминокислоты в ядре было нелегко отыскать. На картинке неправильная подпись при глутамате, приносим извинения.

И наконец, связь образованная между юоковыми группами остатков N68 и K64, лежащих на поверхности белка.

Теперь, определившись с 3 водородными связями остатками, мы решили узнать их расстояние, использовав модели из РСА, и на моделях из ЯМР определить какие максимальные, минимальные и средние значения расстояний они имеют. Результаты приведены в таблице ниже.

parameters/Hbonds E47-K36 L49-H53 K64-N68
type sidechain backbone sidechain
distance in RSA(Å) 3.0 3.2 3.5
atoms in Hbonds O(Q) and N(K) O(L) and N(H) O(N) and N(K)
location kernel kernel surface
number of NMR models with Hbonds 15 17 0
% NMR models with Hbonds 75.0 85.0 0.0
min length 2.6 2.9 7.6
max length 5.5 3.9 19.0
median length 3.0 3.15 15.0

Примечательно, что Hbond между остатками, лежащих в ядре, представлены гораздо чаще, чем та, что между поверхностными остатками. Видимо, NMRструктуры не дают единой информации о поверхностных остатках, особенно тех, которые находятся на петлях. N68 лежит в петле, а мы видели еще на самой первой картинке как такие петли, собираясь в ансамбль, образуют неупорядоченную метелку. Очевидно поэтому мы видим в таблице неадекватные длины между атомами K64 и N68 и их отсутствие в моделях из NMR.