Совмещение структур

Структурные гомологи Cu,Zn-супероксиддисмутазы 1PU0

С помощью сервиса PDBeFold было найдено четыре гомолога белка Cu,Zn-супероксиддисмутазы человека. Поиск осуществлялся по цепи A из PDB-структуры 1PU0. В таблице 1 представлена краткая характеристика найденных гомологов. На рисунке 1 изображено наложение структур гомологов на структуру 1PU0 (методами отображения ribbon или cartoon).

Таблица 1. Характеристика выбранных структур, гомологичных Cu,Zn-супероксиддисмутазе человека (1PU0, цепь A), по результатам поиска в PDBeFold.
PDB	Организм	Длина белка (а.о.)	Длина выравнивания (а.о.)	RMSD
4OJA	Hydra vulgaris	170	147 (96,1%) *	0.89
4U4I	Megavirus chilensis	161	122 (79,7%)	1.21
1S4I	Bacillus subtilis	175	130 (85%)	1.52
4N3U	Candida albicans	159	122 (79,7%)	1.59

* - в скобках указана доля, которую составляет длина выравнивания от длины исходного белка 1PU0 (153 а.о.)

Рисунок 1. Совмещение структур Cu,Zn-СОД (1PU0, красная цепь) со структурами гомологов из разных организмов: Hydra vulgaris (4OJA, белая цепь), Megavirus chilensis (4U4I, синяя цепь), Bacillus subtilis (1S4I, желтая цепь) и Candida albicans (4N3U, зеленая цепь). Представлены изображения по ribbon (слева) и cartoon (справа).

Как видно из рисунка 1, структуры белков достаточно хорошо согласуются и накладываются друг на друга. Основные отличия наблюдаются в участках петель.
Полученное структурное выравнивание для пяти последовательностей представлено на рисунке 2. Скачать выравнивание можно по ссылке.
Также было построено выравнивание последовательностей программой Muscle с параметрами по умолчанию. Это выравнивание представлено на рисунке 3 и также доступно по ссылке.

Рисунок 2. Выравнивание по структуре. Аминокислоты покрашены по стандартной схема AliView.

Рисунок 3. Выравнивание программой Muscle с настройками по умолчанию.

В полученных выравниваниях есть некоторые отличия. На рисунке 4a представлен один из таких участков выравнивания, а на рисунке 4b - соответствующие аминокислотные остатки в наложении структур.
Из рисунка 4b видно, что более точным оказалось выравнивание по структуре. Предлагаемый Muscle вариант Ser в положении 61 выравнивания (вместо Pro в положении 70 по структурному выравниванию) для последовательности 4N3U в структуре находится в выпетливании, далеко от других аминокислот из той же колонки. Скорее всего, это выпетливание образовалось из-за вставки нескольких остатков в структуру 4N3U, поэтому этот Ser не гомологичен остальным аминокислотам в 61 колонке выравнивания.

Рисунок 4a. Участок с несоответствием выравнивания по структурам (слева, позиция 70) выравниванию по последовательности (справа, позиция 61).

Рисунок 4b. Положение аминокислот из 70 колонки структурного выравнивания в наложении структур. Показаны структуры 1PU0 (красная цепь), 4OJA (белая цепь) и 4N3U (зеленая цепь). Сферами отмечены Cα-атомы аминокислот из одной колонки выравнивания. Отдельно отмечен остаток Ser84, помещенный в одну колонку с Ser53 и Thr54 программой Muscle.

Еще один пример - позиция 136 в структурном выравнивании и соответствующая ей позиция 118 выравнивания по последовательностям. В этой позиции для последовательности 1S4I стоит Leu или Ser (рисунок 5a). Однако в этом случае не так просто определить, какое из выравниваний более правильное. На рисунке 5b представлено положение описываемых остатков в структуре (желтая структура) по сравнению с 1PU0 (красная структура). Видно, что расстояния между Cα-атомами остатков His из 1PU0 и Leu или Ser из 1S4I составляет 2.5 и 4.5 Å, соответственно. Следовательно, Leu более близок по структуре к другим остаткам из 136 колонки выравнивания. Однако по свойствам аминокислот функционально в этой позиции более подходящим будет Ser, а Leu вполне может располагаться в выпетливании, возникшем из-за вставки в последовательность 1S4I.

Рисунок 5a. Участок с несоответствием выравнивания по структурам (сверху, позиция 136) выравниванию по последовательности (снизу, позиция 118).

Рисунок 5b. Положение аминокислот из 136 колонки структурного выравнивания в наложении структур. Показаны структуры 1PU0 (красная цепь) и 1S4I (желтая цепь). Сферами отмечены Cα-атомы аминокислот. Также отмечены расстояния между Cα-атомами остатков His из 1PU0 и Leu или Ser из 1S4I.

Совмещение доменов Т-клеточного рецептора по заданному выравниванию. SheeP

Для выполнения этого задания было выбрано два домена: участок структуры D:118-203 из 1BD2 (цепь α) и E:119-246 из 1QSE (цепь β). Выбранные структуры и домены изображены на рисунках 6a и 6b. На рисунке 7 показано совмещение доменов в PyMOL (командой align).

Рисунок 6a. Структура 1BD2. Цветом выделен участок D:118-203 - домен α-цепи Т-клеточного рецептора.

Рисунок 6b. Структура 1QSE. Цветом выделен участок E:119-246 - домен β-цепи Т-клеточного рецептора.

Рисунок 7. Совмещение α-цепи (сине-зеленая) и β-цепи (красная) командой align в PyMOL.

Затем с помощью программы SheeP были получены карты β-листов для выбранных доменов. Карты представлены на рисунках 8a и 8b (для α-цепи и β-цепи, соответственно). В каждой карте был найден консервативный остаток цистеина: Cys139 в цепи α и Cys147 в цепи β. Эти остатки были использованы для построения выравнивания доменов.

Рисунок 8a. Карта β-листов для α-цепи Т-клеточного рецептора.

Рисунок 8b. Карта β-листов для β-цепи Т-клеточного рецептора.

Совмещение структур производилось по β-листу, содержащему консервативный цистеин. Использованные команды:

select alpha, 1bd2 and chain D and resi 126+128+138-140+179-181 and name CA
select beta, 1qse and chain E and resi 128+130+146-148+193-195 and name CA
pair_fit alpha, beta

На рисунке 9 представлено полученное совмещение. Файл с совмещенными структурами можно скачать по ссылке.
В целом, структуры выровнялись. Ход β-тяжей совпадает, некоторые петли также расположены примерно одинаково. Однако не все элементы вторичной структуры совпадают у выравниваемых доменов. Например, в α-цепи отсутствует один из β-тяжей β-цепи, образующий β-лист с аминокислотными остатками из затравки для выравнивания. Однако в β-цепи также отсутствует один из β-тяжей α-цепи. α-спирали также совсем не выровнялись. Несмотря на то, что общий ход цепи у исследуемых доменов совпадает (по крайней мере, в части структуры), положение петель и некоторых элементов вторичной структуры не позволяет говорить о сходстве топологий.

Рисунок 9a. Полученное совмещение структур α-цепи (белый) и β-цепи (желтый). Участки β-листов, использовавшиеся в качестве затравки выравнивания, выделены красным и синим.

Рисунок 9b. Совмещение структур α-цепи (сине-зеленый) и β-цепи (красный) с разных сторон.

Жесткое и гибкое структурное выравнивание

Гибкое выравнивание может быть более эффективным в некоторых случаях, то есть, приводить к лучшему пространственному совмещению структур. В качестве примера были использованы две структуры, каждая из которых содержит 4 длинные α-спирали: ферритин-подобный белок DPS из Deinococcus radiodurans (2C2F) и рубреритрин из Sulfolobus tokodaii (1J30, цепь A). Выбранные домены представлены на рисунке 10.

Рисунок 10. Структуры 2C2F (слева) и 1J30 (справа, цепь A отмечена розовым).

Данный пример был описан в статье, авторы которой предложили новый алгоритм гибкого структурного выравнивания CAB-Align. К сожалению, с их программой мне поработать не удалось. Однако я построила совмещение выбранных доменов программами DaliLight (жесткое выравнивание, рисунок 11) и FATCAT (гибкое выравнивание, рисунок 12).

Рисунок 11. Структурное выравнивание доменов из 2C2F (желтый) и 1J30:A (розовый) программой DaliLight (алгоритм жесткого выравнивания).

Рисунок 12. Структурное выравнивание доменов из 2C2F (розовый) и 1J30:A (желтый) программой FATCAT (алгоритм гибкого выравнивания).

Как видно из рисунка 11, жесткое выравнивание позволяет совместить только две α-спирали из четырех, так как вращение вокруг петли запрещено (координаты атомов остова не изменяются), поэтому оставшиеся две спирали наложить не удается. Однако гибкое выравниванием (рисунок 12) решает эту проблему и совмещает все четыре α-спирали.