Мембранные белки

Анализ множественного выравнивания трансмембранных белков

Для изучения структуры трансмембранных белков был использован белок 4QO2 - ромбоидная мембранная протеаза GlpG. Эта сериновая протеаза разрезает трансмембранные белки по их внутримембранным участкам. На рисунках 1, 2 и 3 представлены ее изображение, структура и расположение в мембране соответственно.

Рисунок 1. Белок GlpG в мембране клетки. Изображение из статьи Rhomboid Protease GlpG.

Рисунок 2 (слева). 3D-структура белка GlpG (PDB 4QO2, цепь A). Часть белка, ориентированная в сторону p-мембраны, сверху. Изображение получено с помощью JMol.
Рисунок 3 (справа). Расположение GlpG в мембране клетки из базы данных OPM.

Для составления репрезентативной выборки гомологов данного белка был произведен поиск по базе UniRef50 с помощью Blast EBI. Я взяла 200 находок, e-value лучшей - 1.3e-114, худшей - 9.2e-11. Результаты поиска можно посмотреть в виде картинки по ссылке.
Затем было построено множественное выравнивание найденных белков и исходного белка. Для построения использовалась программа Muscle. Полученное выравнивание в формате fasta: alignment.fasta.
Из данного файла с выравниванием удалены 4 последовательности, слишком короткие по сравнению с остальными. Эти белки имели идентификаторы V6L6N5, J6CR32, F9GXR8 и B9TJY4.

Затем был создан проект JalView (ссылка). На основании известной структуры была добавлена строка аннотации TM_REAL с указанием трансмембранных участков (помечены буквой M). Примечание: в выравнивании JalView были скрыты некоторые практически полностью гэповые колонки для, как мне кажется, лучшего восприятия структуры.
Далее с использованием сервиса TMHMM были предсказаны трансмембранные участки для одного из гомологов - A0A0J8GTN0. Результат представлен на рисунке 4.
В целом, предсказанные и реальные трансмембранные участки совпадают. Отличия возникают, возможно, потому что белки все-таки немного разные. Общее число трансмембранных спиралей (6 штук) предсказано верно. Некоторые спирали оказываются длиннее, но они расположены в основном в одном месте последоватлеьности.
Описание предсказанных трансмембранных участков представлено в строке аннотации TM_PREDICTED в том же JalView-проекте.

Рисунок 4. Результат предсказания трансмембранных участков для белка A0A0J8GTN0 с помощью сервиса TMHMM.

На рисунках 5 и 6 представлен белок, остатки которого покрашены с использованием цветовой схемы Hydrophobicity и вручную заданной цветовой схемы соответственно. На рисунках 7 и 8 - те же изображения, но для установленного порога идентичности 12%.

Рисунок 5. Белок GlpG с окраской по гидрофобности (JalView Hydrophobicity). Часть белка, обращенная к p-стороне мембраны, находится снизу.
Рисунок 6. Белок GlpG с окраской по гидрофобности. Голубым отмечены гидрофильные остатки (H, K, R, D, E, N, Q, S, T), розовым - гидрофобные (V, L, I, W, F, P, A, M), светло-розовым - Y, G, C.

Рисунок 7. Белок GlpG с окраской по гидрофобности (JalView Hydrophobicity) и порогом идентичности 12%.
Рисунок 8. Белок GlpG с окраской по гидрофобности, описанной выше, и порогом идентичности 12%.

По изображениям видно, что в белке встречаются достаточно консервативные позиции в трансмембранных спиралях и в участках между спиралями. В спиралях часто встречаются L, M, W, V и другие гидрофобные аминокислоты, а также глицин. Иногда попадаются гидрофильные остатки, например, S и H. Возможно, они отвечают за каталитическую внутримембранную активность. Серин, возможно, располагается в активном центре фермента, так как GlpG относится к сериновым протеазам. В цитоплазматических участках гораздо больше гидрофильных, и более того, заряженных аминокислот, хотя гидрофобные также встречаются. Однако говорить о том, что многие участки консервативны, сложно, потому что изображения получены для низкого порога консервативности (я выбрала такой порог, чтобы цвета были в принципе различимы, на 30% окрашенными оставалось лишь пара колонок).