Трансмембранные белки

1. Знакомство с базой данных OPM

Для выполнения этого задания из базы данных OPM был выбран ацилаза липида A (Lipid A acylase PagP), принадлежащая Escherichia coli. Этот белок относится к классу трамсмембранных белков, имеющих структуру β-бочонка (Рис.1) и участвует в биосинтезе липида A. Также известно, что он может вызывать невосприимчивость к катионным антимикробным пептидам хозяина.

ацилаза липида A Escherichia coli локализована во внешней мембране. Согласно информации из баз данных, в толщину гидрофобная часть белка составляет 24.7 Å, что подтверждается измерением растояния с помощью инструмента Measure distance в программе Jmol.

Согласно базе данных, белок имеет следующие трансмембранные участки: 1(22-30),2(53-58),3(65-74),4(81-94),5(101-114),6(121-133),7(136-144),8(153-161). Средняя длинна трансмембранного участка - 11 aa.

Тип белка	Трансмембранный белок
Класс	бета-бочонок
Суперсемейство	Aцилазы липида A
Семейсво	Aцилазы липида A
Организм	Escherichia coli
Локализация	Внешняя мембрана Грам-отрицательной бактерии
Uniprot ID	PAGP_ECOLI
PDB	3gp6
Толщина гидрофобного слоя	24.7
Число трансмембранных структур	8
Средняя длина β-листа	11 aa

2. DeepTMHMM: Предсказание трансмембранных элементов по последовательности белка

Предсказания трансмембранных элементов с помощью DeepTMHMM проводились для α-спирального белка YHFT_ECOLI и β-листового PAGP_ECOLI. На вход алгоритму были поданы соответсвующие fasta-файлы YHFT_ECOLI.fasta и PAGP_ECOLI.fasta, на выходе были получены следующие файлы: YHFT_ECOLI_results.md и PAGP_ECOLI_results.md.

Для PAGP_ECOLI было предсказано 8 трансмембранных участков со средней протяженностью 9.6 aa, что значительно меньше, чем средняя протяженность, посчитанная по данным из OPM, тем не менее число трансмембранных участков предсказано верно и их координаты примерно совпадают с указанныим в OPM, если учесть, что в OPM белок был без сигнальной последовательности. Если сравнить предсказание с аннотацией трансмембранных участков из UniProt, можно сделать вывод, что DeepTMHMM довольно точно может предсказать их положение, однако длины этих участков могут слегка не соотвествовать достоверным значениям.

Для YHFT_ECOLI было предсказано 14 трансмембранных участков протяженностью от 11 до 21 aa. В тоже время в UniProt указаны 12 трансмембранных участков с длинной 21. При этом в результатах DeepTMHMM вызывают подозрения 2 пары кототких трансмембранных участков, между которыми есть области с небольшой вероятностью (0.1-0.3)цитоплазматической локализации. Также, кажется DeepTMHMM неправильно предсказал мембрану: т.к. E. coli грамотрицательная бактерия, какая-то часть участков белка должна находиться в периплазме, тем не менее на схеме выданной DeepTMHMM есть только цитоплазма и внеклеточная среда. В базе данных BioCyc указано, что белок находится на внутренней мембране, из чего можно предположить, что внешняя среда на схеме соответствует периплазме.

3. PPM: Предсказание положения выданного белка в мембране

Для предсказания положение белка в мембране с помощью PPM был взят выданный белок YHFT_ECOLI - неохарактеризованный белок YhfT, он принадлежит E. coli, для которого известно что он лежит на внутренней мембране. PPM был запущен со следующими параметрами:

Number of Membranes	1
Type of membrane	Gram-negative bacteria inner membrane
Allow curvature	no
Topology (N-ter)	out (из предсказания DeepTMHMM)
Include heteroatoms, excluding water and detergents, for positioning in membrane:	no

На основе данной структуры, предсказанной с помощью AlphaFold было получено предсказание расположения данного белка в мембране и определенны некоторые параметры

Тип белка	Трансмембранный белок
Организм	Escherichia coli
Локализация	Внутренняя мембрана Грам-отрицательной бактерии
Uniprot ID	YHFT_ECOLI
Толщина гидрофобного слоя	28.7 ± 0.6 Å
Число трансмембранных структур	14
Средняя длина трансмембранного участка	19.3 aa

Координаты трансмембранных участков: 1( 3- 21), 2( 53- 72), 3( 77- 88), 4( 94- 116), 5( 126- 151), 6( 155- 173), 7( 179- 196), 8( 228- 245), 9( 274- 294),10( 310- 317),11( 321- 339),12( 358- 384),13( 385- 403),14( 404- 425)

4. Сравнение алгоритмов предсказания трансмембранных спиралей

Предсказания для PAGP_ECOLI:

Для удобства сравнения из данных DeepTMHMM вычтена длянна сигнала

DeepTMHMM

Трансмембранные участки: 1(24-33), 2(50-58), 3(69-75), 4(83-91), 5(105-124), 6(121-133), 7(137-145), 8(152-161)

OPM

Трансмембранные участки: 1(22-30), 2(53-58), 3(65-74), 4(81-94), 5(101-114), 6(121-133), 7(136-144), 8(153-161)

Из сопоставления видно, что DeepTMHMM смог найти все 8 трансмембранных участков в нужных местах, хотя и с небольшими расхождениями в 1-4 остатка.

Предсказания для YHFT_ECOLI:

DeepTMHMM

Трансмембранные участки: 1(7-20), 2(58-68), 3(95-104), 4(106-115), 5(136-150), 6(158-173), 7(184-198), 8(229-245), 9(281-290), 10(293-302), 11(322-342), 12(369-380), 13(387-397), 14(408-428))

OPM

Трансмембранные участки: 1(3-21), 2(53-72), 3(77-88), 4(94-116), 5(126-151), 6(155-173), 7(179-196), 8(228-245), 9(274-294), 10(310-317), 11(321-339), 12(358-384), 13(385-403), 14(404-425))

Из сопоставления видно, что DeepTMHMM и PMM нашли одинаковое количество участков, однако не все из них соответсвуют друг другу. Так, например, участок 3(77-88) PPM не имеет соответсвия в результатах DeepTMHMM, а участок 4(94-116) PPM соответсвует 2 участкам DeepTMHMM: 3(95-104), 4(106-115),а участки 10 тоже не перекрываются. Остальные участки более менее соответсвуют друг другу, с отклонениями 0-10 aa.

5. База данных TCDB

PAGP_ECOLI отсутствует в TCDB: в UniProt был найден его AC и вставлен в строку поиска TCDB.

YHFT_ECOLI найден в TCDB, его код 9.B.118.1.1, он означает слудующее

1. 9 - Неполностью охарактеризованные транспортные системы
2. B - Предпологаемые транспортные системы
3. 118 - Семейство белков YhfT, содержащих 11 или 12 трансмембранных участков.
4. 1.1 - YhfT, белок c 11 или 12 трансмембранными участками