Восстановление кристалла из PDB файла

Форма и симметрии структуры 3E9A

Кристаллическая структура белка 2-дегидро-3-деоксифосфооктанат алдолазы холерного вибриона представляет собой упаковку с кристаллографической группой симметрии "I 2 3", с кубической элементарной ячейкой, где в каждой ячейке помещается 24 белка. Это следует из строк заголовка PDB-файла 3e9a.pdf:

HEADER    TRANSFERASE                             21-AUG-08   3E9A
TITLE     CRYSTAL STRUCTURE OF 2-DEHYDRO-3-DEOXYPHOSPHOOCTONATE ALDOLASE FROM
TITLE    2 VIBRIO CHOLERAE O1 BIOVAR ELTOR STR. N16961
. . .
CRYST1  117.187  117.187  117.187  90.00  90.00  90.00 I 2 3        24
ORIGX1      1.000000  0.000000  0.000000        0.00000
ORIGX2      0.000000  1.000000  0.000000        0.00000
ORIGX3      0.000000  0.000000  1.000000        0.00000
SCALE1      0.008533  0.000000  0.000000        0.00000
SCALE2      0.000000  0.008533  0.000000        0.00000
SCALE3      0.000000  0.000000  0.008533        0.00000

В программе Pymol можно нарисовать элементарную ячейку кристалла (команда 'show cell') и создавать симметричные дупликаты белка, согласно известной группе симметрии (команда 'symexp sym, 3e9a, 3e9a, [distance]'). Оказалось, что данный белок упакован в виде тетрамеров, которые могут быть расположены в трех перпендикулярных направлениях, см. Рис. 2.

Рис. 1. Упаковка структур 3E9A в кубической ячейке кристалла. Тетрамеры раскрашены разными цветами. Для наглядности, показаны не все тетрамеры, имеющие пересечение с кристаллографической ячейкой.

Каждый тетрамер имеет вид квадратного параллелепипеда, он имеет симметрии поворота на 180 градусов вокруг всех трех осей (но не имеет поворотной симметрии 90 градусов). По отношению к кубической ячейке тетрамеры расположены двумя способами:

Погружены в середину грани куба, внутри ячейки находятся две из четырех цепей тетрамера (синие, голубые, и красный тетрамеры на Рис.2).
Раположены на ребре куба, внутри ячейки находятся две половины цепи тетрамера (желтые, зеленые, и фиолетовые тетрамеры на Рис.2).

Можно подсчитать общее число цепей внутри кубической ячейки: 6 * 2 цепей в тетрамерах первого вида и 12 * (0.5 + 0.5) цепей в тетрамерах второго вида. Всего цепей внутри кубической ячейки 24, как и написано в строке CRYST1 заголовка PDB-файла.

Следует отметить, что разделение тетрамеров на эти два вида условно, потому что можно определить другое разбиение кристалла на ячейки, в котором вершины кубов находятся в центрах кубов исходных ячеек. По отношению к этим новым ячейкам тетрамеры первого вида становятся лежащими на ребрах, а тетрамеры второго вида - погружены в грани. Других отличий нет, эти две системы ячеек эквивалентны.

Данные тетрамеры структуры 3E9A соответствуют наблюдаемой четверичной структуре этого белка в клетке. На сайте RCSB PDB приводятся три вида биологических единиц (Biological Assebly) для этого белка: тетрамер, и два разных димера, см. 3E9A.

Зоны контакта разных цепей в кристалле структур 3E9A

Как было показано выше, цепи белка прежде всего упакованы в тетрамеры, в которых, предположительно, есть много контактов, удерживающих тетрамер. Далее, тетрамеры контактируют между собой, образуя кристалл. (Говорить о взаимодействии белков разных кристаллографических ячеек в данном случае не имеет смысла, так как каждый тетрамер принадлежит двум или четырем кубическим ячейкам, и все контакты тетрамеров находятся внутри какой-либо ячейки.)

Рассмотрим один тетрамер, а в нем одну из его цепей, цепь A1, см. Рис. 2.

Рис. 2. Тетрамер A1-A4, цепь A1 выделена розовым цветом.

Гидрофобные контакты

Гидрофобные контакты можно найти в программе Pymol, найдя близкие гидрофобные остатки разных цепей. Например, если четыре части тетрамера имеют имена A1-A4, то следующие команды покажут остатки, потенциально образующие гидрофобные контакты:

select inside, A1 and resn Leu+Ile+Val+Phe+Trp+Met
select outside, (A* and not A1) and resn Leu+Ile+Val+Phe+Trp+Met
# остатки пересечения окрестности одного множества с друним, и наоборот
select inside2, byres (inside and (outside around 3.5))
select outside2, byres (outside and (inside around 3.5))
# отрисовка и расцветка найденных остатков
show stick, inside2
show stick, outside2
color blue, inside2
color green, outside2

Оказалось, что цепь A1 имеет одну общую гидрофобную область с цепью A2, образованную четырьмя фенилаланинами (см. Рис. 3а), и три потенциальных гидрофобных контакта с цепью A4, образованых изолейцинами, валинами, и лейцинами (см. Рис. 3б):

A1.PHE117 - A2.PHE142
A1.PHE142 - A2.PHE117
A1.ILE282 - A4.VAL222
A1.LEU270 - A4.LEU270
A1.VAL222 - A4.ILE282


а	б

Рис. 3. Близкие гидрофобные остатки цепи A1 и соседних цепей тетрамера: (а) область контакта цепи A2 (красная, слева) с цепью A1 (розовая, справа); (б) три пары гидрофобных остатков цепи A1 (розовая, сверху) и цепи A4 (красная, снизу).

Аналогичный поиск гидрофобных контактов между цепями разных тетрамеров не дал результатов.

Водородные связи

Потенциальные водородные связи можно найти, выделив пересечение окрестностей полярных атомов разных цепей.
Команды для визуализации возможных водородных связей цепи A1 с другими цепями тетрамера A:

select inside, A1 and elem O+N
select outside, (A* and not A1) and elem O+N
# остатки пересечения окрестности одного множества с друним, и наоборот
select inside2, byres (inside and (outside around 3.5))
select outside2, byres (outside and (inside around 3.5))
# отрисовка и расцветка атомов найденных остатков
select neighb, inside2 or outside2
show stick, neighb
color white, neighb and elem C
color yellow, neighb and elem S
color blue, neighb and elem N
color red, neighb and elem O
# отображение близких дистанций
dist hbonds, inside, outside, 3.5

Команды для визуализации возможных водородных связей цепи A1 с цепями других тетрамеров:

select inside, A1 and elem O+N
select outside, (all AND not A*) and elem O+N
# остатки пересечения окрестности одного множества с друним, и наоборот
select inside2, byres (inside and (outside around 3.5))
select outside2, byres (outside and (inside around 3.5))
# отрисовка и расцветка атомов найденных остатков
select neighb, inside2 or outside2
show stick, neighb
color white, neighb and elem C
color yellow, neighb and elem S
color blue, neighb and elem N
color red, neighb and elem O
# отображение близких дистанций
dist hbonds, inside, outside, 3.5
# отображение соседних остатков (чтобы их цвет показал цепь)
select outside3, (byres (outside and (outside2 a. 2))) and not outside2
show stick, outside3

Как видно на Рис. 4, внутри тетрамера есть много водородных связей между цепями A1 и цепями A2 и A4 (но не A3).


а	б

Рис. 4. Водородные связи внутри тетрамера A: (а) область контактов цепи A2 с цепью A1 — вверху и в центре; (б) область контактов цепи A1 и цепи A4 — между петлями справа, слева, и посередине, между спиралями.

Есть также около десяти возможных водородных связей цепи A1 с цепями пяти других тетрамеров, см. Рис 5. Как видно из Рис. 1, цепь A1 красного тетрамера имеет 6 непосредственно близких тетрамеров, и потенциальные водородные связи были найдены для пяти из них. Предположительно, эти связи достаточно прочные, чтобы фиксировать форму кристалла, но энергии их связи недостаточно, чтобы в клеточной среде образовывались более крупные олигомеры.

Рис. 5. Водородные связи цепи A1 с цепями других тетрамеров. Разными цветами показаны соседние остатки цепей других тетрамеров, цвета показывают, что контакты есть с пятью другими тетрамерами. С одним из тетрамеров (зеленым) есть четыре контакта.

Странное расположение белковых цепей в структуре ДНК-белкового комплекса

Обычно для изображения структуры объекта PDB-файла достаточно отрисовки единственной асимметричной единицы кристаллической структуры. Тем не менее, иногда PDB структуры имеют визуальные аномалии, если не изображается целиком некоторая область кристалла. Например, на Рис. 6 изображена структура 1mnm.pdb, в которой белковая цепь D не полностью связана с цепями ДНК, нижняя спираль и петля не имеют контакта с ДНК.

Рис. 6. Структура 1MNM. Цепь D, выделена желтым цветом, не имеет видимой связи с цепями ДНК.

Если же дополнить структуру содержимым соседней ячейки (команда Pymol 'symexp'), то видно, что контакт все же есть, см. Рис. 7.

Рис. 7. Структура 1MNM. Изображение соседней кристаллографической ячейки показывает продолжение молекулы ДНК, которое имеет контакт с цепью D.

Несовпадение ассимметрической единицы с биологической

Асимметрическая единица PDB-структуры может иметь число молекул (цепей), отличное от числа молекул в биологической единице, то есть активном белке, выполняющем свою функцию. Расширенный поиск по базе данных PDB позволяет найти примеры таких несоответствий (см. опции поиска "Number of Chains (Asymmetric Unit)" и "Number of Chains (Biological Assembly)").

Например, у структуры 5YVR, см. файл 5yvr.pdb, асимметрическая единица состоит из одной цепи, см. Рис. 8а и 8б, хотя биологически активная форма белка образуется димером, см Рис. 8в.


а	б	в

Рис. 8. Структура 5YVR: (а) асимметрическая единица, 1 цепь, (б) ячейки кристалла, (в) активная форма белка (3d viewer на сайте RCSB PDB).

И наоборот, у структуры 6AVY, см. файл 6avy.pdb, асимметрическая единица состоит из двух цепей, см. Рис. 9, хотя биологически активная форма белка — мономер.

Рис. 9. Асимметрическая единица структуры 6AVY.

См. также страницу руководства сайта RCSB PDB Introduction to Biological Assemblies and the PDB Archive, где описаны причины и последствия таких несоответствий, а также приведены примеры таких структур.