На главную страницу четвертого семестра Membrane proteins

Мембранные белки

Задача — предсказать 2-мя способами топологию мембранного белка и сравнить предсказание с 3D-структурой данного белка или его близкого гомолога

Построение выравнивания исследуемого белка с заданным прототипом

ID SwissProt исследуемого белка — PIP1_ATRCA
AC SwissProt исследуемого белка — P42767
Последовательность исследуемого белка P42767 была получена в результате выполнения следующей команды в ОС UNIX:
seqret sw: P42767
Последовательность белка-прототипа была дана
Попарное выравнивание белковых последовательностей строилось с помощью программы needle:
needle 1z98.fasta pip1_atrca.fasta 1z98_pip1_atrca.needle

Выравнивание исследуемого белка PIP1_ATRCA с белком-прототипом, построенное с помощью программы needle

Процент идентичности последовательностей (Identity) — 82.6%

Вес выравнивания (Score) — 1225.0
Также для импорта в GeneDoc было построено выравнивание исследуемого белка и белка-прототипа с помощью emma — одной из реализаций ClustulW

Предсказание топологии почти вручную

С помощью программы pepwindow пакета EMBOSS (-graph data -lengyh 19 (оптимальный размер окна при предсказании трансмембранных сегментов )) были получены два столбца чисел. В первом столбце содержатся номера а. о., находящихся в середине скользящего окна, во втором столбце — средняя гидрофобность для соответствующих окон.
По полученным данным был построен профиль гидрофобности с помощью Excel.

Были рассмотрены пики (4 пика) со средним значением гидропатичности более 1.8 (выше красной линии на графиек). Каждый такой пик соответствует центру сегмента а.к. последовательности с длиной, равной размеру выбранного окна. Границы выбранных трансмембранных сегментов можно посмотреть в файле отчета.

На основании правила von Hejne, согласно которому цитоплазматические (внутренние) петли между мембранными сегментами содержат больше положительно заряженных остатков (K, R), чем внешние петли, были определены внутренние петли.
В выравнивании исследуемого белка с белком-прототипом в поле Manual позиции мембранных сегментов отмечены буквой "Н", позиции цитоплазматических петель знаком "+", остальные — знаком "-". В поле Helix буквами "H" отмечены альфа-спирали в последовательности белка прототипа (1z98)

Предсказание топологии с помощью программы TMHMM

Результат предсказания топологии исследуемого белка PIP1_ATRCA с помощью TMHMM

График, выданный программой TMHMM

На графике схематично показана последовательность белка PIP1_ATRCA. Красными прямоугольниками отмечены трансмембранные сегменты, всего их по данным TMHMM 6. Фиолетовыми линиями отмечены участки последовательности, располагающиеся снаружи, а синими — участки, находящиеся внутри клетки. N- и C- конец последовательности PIP1_ATRCA находится снаружи.
Также данный график содержит информацию о трех вероятностях:

вероятность того, что данный участок последовательности является трансмембранным сегментом (красные столбцы на графике);

вероятность расположения участка последовательности внутри клетки (синий график);

вероятность расположения участка последовательности снаружи клетки (фиолетовый график).

В выравнивании исследуемого белка с белком-прототипом в поле TMHMM отражены результаты работы программы. Позиции мембранных сегментов отмечены буквой "Н", позиции цитоплазматических петель знаком "+", остальные — знаком "-". В поле Helix буквами "H" отмечены альфа-спирали в последовательности белка прототипа (1z98)

В файле отчета в таблице "Топология белка PIP1_ATRCA" содержится информация о границе мембранных участков по данным TMHMM.

Выделение трансмембранных сегментов в 3D-структуре прототипа

По идентификатору PDB (2b5f) белка-прототипа было найдено описание трансмембранных сегментов в БД OPM (Orientations of Proteins in Membranes database)
Затем используя выравнивание белка-прототипа с PIP1_ATRCA, были определены границы трансмембранных сегментов в белке PIP1_ATRCA.

Границы трансмембранных сегментов в белке PIP1_ATRCA по данным OPM

Слева приведено расположение аквапорина (Aquaporin Sopip2), состоящего из 4 аминокислотных цепей, в плазматической мембране.
Одна из цепей — белок-прототип.
Красной линией обозначена внеклеточная сторона мембраны, синей — цитоплазматическая.
В выравнивании исследуемого белка с белком-прототипом в поле OPM можно посмотреть расположение трансмембранных сегментов и петель. Позиции мембранных сегментов отмечены буквой "Н", позиции цитоплазматических петель знаком "+", остальные — знаком "-". В поле Helix буквами "H" отмечены альфа-спирали в последовательности белка прототипа (1z98)

Сравнение предсказанных топологий с описанием трансмембранных сегментов в 3D-структуре прототипа

		По профилю гидрофобности	TMHMM
Всего предсказано (N)		77	138
Из них
	А. По данным ОРМ находятся внутри мембраны	69	114
	В. Из них - "торчащие" из мембраны остатки на концах спиралей	4	11
	С. Вообще не имеют никакого отношения к трансмембранным спиралям	8	24
D. Число непредсказанных остатков, которые по данным ОРМ находятся в мембране.		67	23
Точность предсказания, A/N		89.6%	82.6%
Сверхпредсказание, C/N		10.4%	17.4%
Недопредсказание, D/(L-N), где L-длина последовательности		38.5%	20.35%

Примечание:
Для определения "торчащих" из мембраны остатков на концах спиралей использовалась данные PDBsum о расположении альфа-спиралей в последовательности белка-прототипа (1z98).

Выравнивание исследуемого белка с белком-прототипом (в поле Helix буквами "H" отмечены альфа-спирали в последовательности белка прототипа (1z98)).

По данным OPM в мембране белка-прототипа находится 8 сегментов последовательности. По профилю гидрофобности было найдено 4 мембранных сегмента, а с помощью программы TMHMM — 6.
Недопредсказание по профилю гидрофобности выше, чем по TMHMM (38.5% против 20.35%).
Все трансмембранные сегменты, предсказанные обоими методами, перекрываются с трансмембранными сегментами по данным OPM.
По определению границ трансмембранных сегментов наиболее точным оказался метод, использующий профиль гидрофобности. Точность предсказания данного метода на 7% выше, чем — TMHMM (89.6% против 82.6%).
Также хочу заметить, что оба метода неверно определили расположение петель.

На главную страницу четвертого семестра