Практикум 3. PDB

Общая информация

PDB_id: 1D3Y [1]

Название: Субъединица A топоизомеразы 6

Семейство: Топоизомеразы 2 типа

Организм: Methanocaldococcus jannaschii

Молекулярная масса: 68,32 kDa

Количество аминокислотных остатков: Каждая полипептидная цепь состоит из 369 аминокислотных остатков (в дальнейшем, ак), однако после частичного протеолиза остается фрагмент длиной 301 ак, устойчивый к протеолизу, именно он и описан в PDB и в приложенной статье на PubMed [2].

Функция: Расслабляет как положительные, так и отрицательные сверхвитки и проявляет сильную декатеназную активность.

Структура в целом

Субъединица A является гомодимером и состоит из двух идентичных цепей A и B (Рис.1, Рис.2.). Целостный фермент топоизомераза 6 явлется гетеротетрамером, состоящим из субъединиц A и B (не путать с полипептидными цепями). Мономер состоит из двух доменов: N-концевого (ак 69–140) и C-концевого (ак 147–369), соединенных коротким линкером (ак 141–146). Поиск по базе структурных данных DALI не выявил близких аналогов для всей молекулы, что подтверждает уникальность третичной структуры субъединицы А топоизомеразы 6 (Рис.3.) Тем не менее, два региона проявляют сходство с небольшими доменами или укладками, характерными для других белков [2].

structure — Рис.1. Структура субъединицы А топоизомеразы 6. Она состоит из 2 одинаковых полипептидных цепей, лежащих антипараллельно.

ss_structure — Рис.2. Вторичная структура обеих цепей: 1) Циановый — альфа-спирали; пурпурный — бета-листы; бирюзовый — петли. В данном белке преобладают альфа-спирали.

mechanism — Рис.3. Уникальная организация третичной структуры T6A. Стереоизображение (ленточная диаграмма) третичной структуры мономерa субъединицы А топоизомеразы 6. Цветовые обозначения: золотой — N-концевой домен; зеленый — Россман-подобная укладка C-концевого домена (связывание металла); синий — остальные участки C-концевого домена; пурпурный — линкер.

Отдельные цепи

Цепи идентичные, поэтому у них одинаковый UniprotID - Q57815 [3]. Они принадлежат организму Methanocaldococcus jannaschii (strain ATCC 43067). Каждая цепь релаксирует положительные и отрицательные супервитки, проявляя выраженную декатеназную активность. Осуществляет АТФ-зависимый разрыв, проведение и воссоединение цепей двухцепочечной ДНК. В файле 1D3Y.pdb присутствуют следующие строки: "COMPND 6 ENGINEERED: YES;", "COMPND 7 MUTATION: YES" (см. Сопроводительные материалы/1). Что говорит о том, что в последовательности есть мутации. Однако детальное их описание в файле отсутствует. Сравнение последовательностей из UniProt и PDB различий не выявило. Возможно, данные теги приведены вследствие того, что исследуемый фрагмент был получен в результате частичного протеолиза. Модифицированные аминокислотные остатки также не обнаружены.

Малые молекулы

В петлях складки типа Россмана обнаружен выраженный пик электронной плотности (>3.5σ). Октаэдрическая геометрия, межатомные расстояния 2.1–2.2 Å и наличие MgCl2 в условиях кристаллизации указывают на присутствие иона Mg²⁺. Ион координируется консервативными остатками: Glu197 (соединение β8/α6), Asp249 и Asp251 (петля β10–α9). Взаимодействие происходит напрямую через Glu197 и Asp249, тогда как Asp251 связывается через две молекулы воды. Еще две молекулы воды дополняют координацию до полной октаэдрической. Двухвалентные катионы, в частности ион Mg²⁺, часто являются кофакторами топоизомераз. Mg²⁺ участвует в присоединении фермента к ДНК, также сообщается о его участии в механизме разрезания цепей ДНК. Все вышеперечисленное характерно для обеих цепей A и B. Что интересно, в PDB файле также обнаружен несвязанный с белком ион Mg²⁺, координированный чисто молекулами воды. Это, по всей видимости, артефакт кристаллизации (см. Сопроводительные материалы/2).

mg2+ coordination — Рис.4. Репрезентативная карта электронной плотности (построенная на основе экспериментальных фаз) области вокруг иона Mg²⁺ (зеленая сфера). Координирующие кислотные группы показаны в шаростержневом виде, а молекулы воды — в виде маленьких красных сфер. На рисунке подписаны инвариантные (консервативные) кислотные группы, координирующие ион [2].

mg2+ coordination/pymol — Рис.5. Отображение окружения катиона-кофактора Mg²⁺ c использованием Pymol. Изображено аминокислотное окружение иона магния в пределах 5 ангстрем, отображены взаимодействия с Glu197 и Asp249 и 4 молекулами воды, образующими октаэдрическое окружение Mg²⁺

В PDB файле в контексте малых молекул также упоминается Na⁺, однако, судя по всему, он не является частью нативной структуры белка. В методике кристаллизации использовалось множество реагентов, содержащих соли Na (например, NaCl), поэтому логично предположить, что наличие иона Na⁺ - артефакт кристаллизации.

Описание взаимодействий между аминокислотными остатками

В субъединице А топоизомеразы 6 можно найти много различных типов взаимодействий между аминокислотами. Эти взаимодействия необходимы для поддержания нативной вторичной, третичной, а так же четвертичной структуры.

Водородные взаимодействия играют исключительную роль в поддержании вторичной структуры белка. На рисунках ниже изображены водородные связи: между элементами остова белка (Рис.5), между боковыми радикалами (Рис.6).

Рис.5. Водородные связи между элементами остова белка, образующими антипараллельный B-слой.

Рис.6. Водородные связи между боковыми радикалами. В данном случае изображены взаимодействия между остатками Glu134 и Arg227

Солевые мостики возникают между положительно заряженными и отрицательно заряженными боковыми радикалами аминокислот. Ниже изображен солевой мостик между Asp114 и Lys74 (Рис.7).

Рис.7. Солевой мостик между Asp114 и Lys74.

Дисульфидные мостики в данном белке не обнаружены. Снизу приведено изображение всех остатков цистеина в белке (Рис.8).

Рис.8. Все остатки цистеина в субъединице А топоизомеразы 6.

Стекинг взаимодействия участвуют в стабилизации третичной структуры белка. Различают параллельно сдвинутый стекинг (ароматические кольца расположены параллельно), Т-стекинг (ароматические кольца расположены перпендикулярно) и Пи-катионный стекинг (взаимодействие между катионом и ароматическим кольцом). Ниже приведены примеры T-стекинга (Рис.9) и Пи-катионного стекинга (Рис.10) в субъединице А топоизомеразы 6.

Рис.10. Пи-катионный стекинг между Phe95 и Arg204.

Сопроводительные материалы

1.Файл с описанием тегов COMPND

2.Файл с описанием малых молекул

Список литературы и иных источников

1.PDB: 1D3Y

2.Matthew D. Nichols, Kristen DeAngelis, James L. Keck & James M. Berger. Structure and function of an archaeal topoisomerase VI subunit with homology to the meiotic recombination factor Spo11. The EMBO Journal. 1999;18:6177–6188

https://link.springer.com/article/10.1093/emboj/18.21.6177#Sec7

3.UniProt: Q57815