Трансмембранные белки.

Для выполнения этого практикума мне достался белок с идентификатором YKUC_BACSU. Для работы была скачана последовательность белка и предсказание его трехмерной структуры.

Знакомство с базой данных OPM.

В базе данных OPM был выбран трансмембранный белок Outer membrane protease OmpT - протеаза внешней мембраны OmpT, принадлежащая Escherichia coli (PDB ID: 1i78 , Uniprot ID: OMPT_ECOLI). Часть белка, погруженная в мембрану, представляет собой β-бочонок (рис. 1). Красным цветом на рисунке 1 показана положительно заряженная часть мембраны (обращена наружу), синим цветом показана отрицательно заряженная часть мембраны (обращена в сторону периплазматического пространства). Данный белок разрезает полипептиды между положительными аминокислотными остатками (Arg, Lys, His). Некоторые характеристики белка из OPM представлены в таблице 1.

Кекс
Рис.1 Структура белка 1i78 в мембране.
Параметр Значение
Толщина гидрофобной части белка в мембране 26.5 Å
Координаты трансмембранных участков 1(11-20),2(50-61),3(64-72),4(111-121),5(126-136),6(178-187),7(192-201),8(230-240),9(245-254),10(287-296)
Средняя длина трансмембранного сегмента 10.4
Местонахождение Наружная мембрана грамотрицательной бактерии
Таблица 1. Характеристики белка Outer membrane protease OmpT

DeepTMHMM: Предсказание трансмембранных элементов по последовательности белка

    Сервис DeepTMHMM позволяет предсказывать трансмембранные участки по первичной структуре белка. На выход программе сначала была дана последовательность белка OMPT_ECOLI (текстовая выдача программы). Затем на выход программе была дана последовательность α-спирального белка YKUC_BACSU (текстовая выдача программы). С графическими выдачами можно ознакомиться на рисунках 2-3.

    В графической выдаче по горизонтали отложены координаты остатков белка, на вертикальной оси показано предсказание положения определенных участков относительно мембраны (верхний рисунок) и вероятность расположения конкретного остатка относительно мембраны (нижний рисунок), цвет указывает на расположение аминокислотного остатка (расшифровка приведена в легенде).

    Для β-листового белка OMPT_ECOLI программа смогла предсказать 10 трансмембранных участков (β-тяжей), что совпадает с информацией из БД OPM, тем не менее координаты остатков не совпадают с координатами из OPM, что может быть связано с тем, что в выдаче учитывается сигнальный пептид. Для α-спирального белка YKUC_BACSU программа предсказала 12 трансмембранных структур.

Кекс
Рис.2 Выдача для "бета-бочонкового" OMPT_ECOLI.
Кекс
Рис.3 Выдача для альфа-спирального YKUC_BACSU.

PPM: Предсказание положения выданного белка в мембране

    В данном разделе проведено предсказание топологии для выданного альфа-спирального белка YKUC_BACSU с помощью сервиса PPM 3.0 на сайте OPM. Для данного белка не существует достоверной структуры, но существует структура предсказанная AlphaFold. На выход сервису PPM передается PDB файл с предсказанной структурой белка. Параметра запуска:

    1. Number of Membranes: 1
    2. Type of membrane: 1 (так как Bacillus subtilis (strain 168) является грамположительной бактерией)
    3. Allow curvature: no
    4. Topology (N-ter): in (по предсказанию DeepTMHMM)
    5. Include heteroatoms, excluding water and detergents, for positioning in membrane: no (по UniProt)
    С результатами текстовой выдачи можно ознакомиться в таблице 2.

Кекс
Рис.4 Предсказание положения YKUC_BACSU в мембране. Синим показана n-сторона (внутренняя сторона), красным - p-сторона (внешняя сторона).
Параметр Значение
Толщина гидрофобной части белка в мембране 30.7 ± 0.6 Å
Координаты трансмембранных участков 1( 10- 35), 2( 42- 63), 3( 74- 96), 4( 99- 118), 5( 138- 163), 6( 164- 184), 7( 227- 250), 8( 259- 284), 9( 292- 310),10( 315- 333),11( 354- 374),12( 381- 403)
Средняя длина трансмембранного сегмента 22.5
Местонахождение Клеточная мембрана грамположительной бактерии
Таблица 2. Выдача сервиса PPM 3.0 для альфа-спирального белка YKUC_BACSU.

Сравнение алгоритмов предсказания трансмембранных участков

    Сравнение выдачи DeepTMHMM и PPM для белка YKUC_BACSU:

    В таблице 3 приведены координаты трансмембранных участков предсказанные двумя сервисами для YKUC_BACSU. Несмотря на то что количество трансмембранных участков в обоих случаях совпадают, координаты их остатков и средняя длина участка отличаются при разных предсказаниях. Модель белка в Uniprot достоверно предсказывает трансмембранные спирали, есть предсказания с низкой достоверностью в участках белка обращенные в сторону цитоплазмы. Я думаю, что достоверность модели оказывает влияние на результат работы PPM, т.к. я использовал именно эту модель в качестве входных данных для PMM.

    Сравнение выдачи DeepTMHMM и данных из БД OPM для белка OMPT_ECOLI:

    В таблице 4 приведены координаты остатков белка предсказанные DeepTMHMM и найденные в БД OPM. Координаты существенно отличаются. Можно предположить что такой сдвиг мог произойти из за того что в для работы с DeepTMHMM была взята последовательность белка из БД Uniprot, которая содержит сигнальный пептид, как раз на его длину координы могли так сильно сдвинуться (длина сигнального участка по результатам DeepTMHMM - 20 остатков)

DeepTMHMM PPM
Координаты 14- 34, 50- 63, 81- 94, 101- 117, 142- 159, 162- 182, 225- 245, 264- 284, 292- 309, 316- 333, 354- 374, 383- 403 1( 10- 35), 2( 42- 63), 3( 74- 96), 4( 99- 118), 5( 138- 163), 6( 164- 184), 7( 227- 250), 8( 259- 284), 9( 292- 310),10( 315- 333),11( 354- 374),12( 381- 403)
Средняя длина трансмембранного сегмента 18.74 22.5
Таблица 3.
DeepTMHMM OPM
Координаты 32 44, 66 78, 84 97, 128 139, 148 159, 195 206, 213 226, 246 259, 266 277, 304 315 1(11-20),2(50-61),3(64-72),4(111-121),5(126-136),6(178-187),7(192-201),8(230-240),9(245-254),10(287-296)
Средняя длина трансмембранного сегмента 12.8 10.4
Таблица 4.