Трансмембранные белки

Последующие задания выполнялись с белком TCR_STRRM - детерминанта устойчивости к тетрациклину (tetB). Этот белок, по данным с Uniprot, является эффлюксной помпой, выкачивающей комплекс тетрациклина с металлом из клетки в обмен на H+ (т.е. это антипортер).
Для работы была скачана последовательность белка и предсказание его трехмерной структуры.

1. База данных OPM

Вторичная структура белка FadL. Синим показана n-сторона, красным - p-сторона.

В качестве трансмембранного белка был выбран FadL (FADL_ECOLI, 3pgu) - транспортер длинных жирных кислот внешней мембраны E.coli. Что интересно, данный белок также служит рецептором, с которым связывается фаг T2 для проникновения в клетку. [1]
Трансмембранная часть этого белка представлена 14-ми β-тяжами из 8-ми аминокислотных остатков, формирующими так называемый β-бочонок.

По данным OPM гидрофобная часть этого белка имеет толщину 25.2 Å. По измерениям 3D-структуры в Jmol такая величина была получена как расстояние между сторонами мембраны. Между атомами трансмембранной части белка мною было найдено максимальное расстояние в 24.26 Å.

В базе данных указаны координаты трансмембранных сегментов: 1( 43- 52), 2( 78- 87), 3( 94- 101), 4( 126- 135), 5( 142- 149), 6( 207- 216), 7( 223- 229), 8( 274- 281), 9( 289- 296),10( 325- 333),11( 341- 348),12( 367- 376),13( 383- 390),14( 411- 421)

Тип Трансмембранный
Класс Трансмембранный β-бочонок
Суперсемейство FadL белок наружной мембраны
Семейство Транспортеры жирных кислот FadL
Организм Escherichia coli
Локализация Внешняя мембрана Грам-отрицательных бактерий
Толщина гидрофобной части (Глубина) 25.2 Å
Угол изгиба 1°
Топология с/ед А (N-конец внеклеточный)

2. DeepTMHMM

Белок(α): TCR_STRRM

Fasta-файл: seq

Выдача: файл

Обсуждение:
Сервис DeepTMHMM позволяет предсказывать трансмембранные участки по первичной структуре белка. В графической выдаче по горизонтали отложены координаты остатков белка, на вертикальной оси показаны предсказание положение определенных участков (верхний рисунок) и вероятность принадлежности конкретного остатка к той или иной топологии (нижний рисунок). Каждый цвет означает определенную локализацию участка: Membrane - трансмембранный, Inside - внутриклеточный, Outside - внеклеточный.
Для выданного белка было предсказано 8 трансмембранных участков (α-спиралей). N-конец белка согласно предсказанию является внутриклеточным, а С-конец - внеклеточным.

Выдача для альфа-спирального TCR_STRRM

Белок(β): FADL_ECOLI

Fasta-файл: seq

Выдача: файл

Обсуждение:
Смысл полученных изображений и значение осей аналогичны выдаче для α-спирального белка. Каждый цвет означает определенную локализацию участка: Beta - бета-слой (мембранный), Periplasm - периплазматический (аналог внутриклеточной части), Outside - внеклеточный, Signal - сигнальный пептид для периплазматической локализации.
Для выданного белка было предсказано 14 трансмембранных участков (β-слоев). N-конец белка является сигнальным пептидом, за ним согласно предсказанию следует периплазматический участок, а С-конец - внеклеточным. Стоит сказать, что предсказания, на первый взгляд, не совпадают с OPM, однако в данной выдаче учитывается сигнальный пептид. Поэтому координаты всех предсказанных β-слоев как бы "смещаются" на его длину.

Выдача для "бета-бочонкового" FADL_ECOLI

3. PPM

В данном разделе проведено предсказание топологии для выданного альфа-спирального белка TetB Streptomyces rimosus с помощью сервиса PPM 3.0 на сайте OPM.
Для запуска сервиса необходимо определиться с большим количеством параметров:

Программе передавался файл с предсказанной структуры в формате pdb. Гетероатомы в рассмотрении не учитывались, так как этот белок их не содержит (по данным UniProt).

С полученной моделью можно ознакомиться по ссылке.

Толщина гидрофобной части (Глубина) 29.9 ± 1.1 Å
ΔGtransfer -51.5 kcal/mol
Угол изгиба 15 ± 0°
Трансмембранные сегменты 1( 3- 27), 2( 31- 50), 3( 70- 92), 4( 105- 125), 5( 135- 155), 6( 161- 183), 7( 196- 218), 8( 297- 315)
Средняя длина трансмембранного сегмента 22 остатка
Предсказание положения tetB в мембране. Синим показана n-сторона, красным - p-сторона.

4. Сравнение алгоритмов предсказания

DeepTMHMM

Предсказанные трансмембранные участки:

  1. 3 - 20
  2. 33 - 50
  3. 70 - 88
  4. 108 - 128
  5. 137 - 155
  6. 163 - 183
  7. 204 - 218
  8. 297 - 315

PPM

Предсказанные трансмембранные участки:

  1. 3 - 27
  2. 31 - 50
  3. 70 - 92
  4. 105 - 125
  5. 135 - 155
  6. 161 - 183
  7. 196 - 218
  8. 297 - 315

Обсуждение

Можно с уверенностью сказать, что предсказания разных программ значительно похожи. Чаще всего, DeepTMHMM "пропускает" 2-3 остатка на N-концевой стороне участка, однако число и общее положение трансмембранных спиралей совпадают.

Стоит отметить, что положение каждого остатка в предсказанной с помощью AlphaFold структуры характеризуется своим доверительным score'ом (насколько точно верно предсказание). Что интересно, участки трансмембранных α-спиралей с относительно низким весом (70 > pLDDT > 50 - желтый цвет) как раз отличаются в вышеполученных предсказаниях.

В целом, можно считать, что структура предсказана успешно, так как в состав предсказанных α-спиралей (хоть и с низким весом) входят остатки, чье положение PPM считает трансмембранным, как и остатки, которые достоверно предсказаны хорошо.

Изображение структуры tetB-белка с покрашенными по уровню доверия остатками. Синий - pLDDT > 90; голубой - 90 > pLDDT > 70; желтый - 70 > pLDDT > 50; оранжевый - pLDDT < 50.

5. База данных TCDB

TetB: в базе данных отстутствует. В UniProt я нашел его AC и ввел в поле поиска TCDB его.

FadL: запись имеется (link).
Данная запись содержит довольно подробную информацию о функциях, свойствах (массу, локализацию в клетке, принадлежность к организму и др.) белка, а также кросс-ссылки на другие базы данных. В данной записи присутствует ошибка, которая сразу бросается в глаза - указан только 1 трансмембранный участок (Number of TMSs).

Для трансмембранных белков-транспортеров существует своя классификация TC, подобная EC. Код для FadL - 1.B.9.1.1, где

Стоит отметить, что суперсемейство белков 1.B.9.- называют суперсемейством пора-образующего белка I наружней мембраны (OMPPI).

References

  1. Black P. N. (1988). The fadL gene product of Escherichia coli is an outer membrane protein required for uptake of long-chain fatty acids and involved in sensitivity to bacteriophage T2. Journal of bacteriology, 170(6), 2850–2854. https://doi.org/10.1128/jb.170.6.2850-2854.1988