Практикум 6:

Задание 1. Сравнение предсказаний трансмембранных участков в бета-листовом белке

Цель задания: сравнить результаты предсказаний трансмембранных участков по последовательности (с помощью DeepTMHMM) и по трехмерной структуре (база данных OPM) в β-листовом белке.

Был выбран белок:
Название: Мальтопорин (Maltoporin)
PDB ID: 1AF6
UniProt ID: LAMB_ECOLI
Организм: Escherichia coli
В какой мембране: Наружная мембрана грамотрицательных бактерий
Функция белка: Транспорт мальтозы и мальтодекстринов

Координаты трансмембранных участков белка:
Субъеденица A:
A - Tilt: 2 - TM segments: 1(2-13),2(39-48),3(58-68),4(75-88),5(98-103),6(125-132),7(138-146),8(170-179),9(185-194),10(213-221),11(227-235),12(269-278),13(284-293),14(305-314),15(320-329),16(343-352),17(361-370),18(411-420)
Субъеденица B:
B - Tilt: 2 - TM segments: 1(2-13),2(39-48),3(58-68),4(75-88),5(98-103),6(125-132),7(138-146),8(170-179),9(185-194),10(213-221),11(227-235),12(269-278),13(284-293),14(305-314),15(320-329),16(343-352),17(361-370),18(411-420)
Субъеденица C:
C - Tilt: 2 - TM segments: 1(2-13),2(39-48),3(58-68),4(75-88),5(98-103),6(125-132),7(138-146),8(170-179),9(185-194),10(213-221),11(227-235),12(269-278),13(284-293),14(305-314),15(320-329),16(343-352),17(361-370),18(411-420)

Возьмём последовательность белка из UniProt. Запустим DeepTMHMM.
Программа предсказала следующие координаты трансмембранных участков(Рис.1):
TM segments: 1(28-37),2(64-72),3(84-92),4(104-113),5(124-130),6(149-157),7(163-170),8(196-202),9(211-218),10(239-246),11(252-259),12(295-303),13(310-317),14(332-339),15(346-352),16(369-377),17(382-393),18(438-445)

**Рис.1** Первая картинка соотносит номер АМК и её положение (в трансмембранном положении, выходит ли в периплазму или в пространство вне клетки). Вторая картинка соотносит номер АМК и её вероятность быть в данном положении (положении, которое описано верхней картинкой).

Lamb_Ecoli(3lines).txt

Сопоставим полученные координаты трансмембранных участков:

№  OPM         DeepTMHMM  
1  (2-13)    | (28-37)
2  (39-48)   | (64-72)
3  (58-68)   | (84-92)
4  (75-88)   | (104-113)
5  (98-103)  | (124-130)
6  (125-132) | (149-157)
7  (138-146) | (163-170)
8  (170-179) | (196-202)
9  (185-194) | (211-218)
10 (213-221) | (239-246)
11 (227-235) | (252-259)
12 (269-278) | (295-303)
13 (284-293) | (310-317)
14 (305-314) | (332-339)
15 (320-329) | (346-352)
16 (343-352) | (369-377)
17 (361-370) | (382-393)
18 (411-420) | (438-445)

Сделаем поправку на сигнальный пептид (25 АМК):

№  OPM         DeepTMHMM
1  (2-13)    | (3-12)
2  (39-48)   | (39-47)
3  (58-68)   | (59-67)
4  (75-88)   | (79-88)
5  (98-103)  | (99-105)
6  (125-132) | (124-132)
7  (138-146) | (138-145)
8  (170-179) | (171-177)
9  (185-194) | (186-193)
10 (213-221) | (214-221)
11 (227-235) | (227-234)
12 (269-278) | (270-278)
13 (284-293) | (285-292)
14 (305-314) | (307-314)
15 (320-329) | (321-327)
16 (343-352) | (344-352)
17 (361-370) | (357-368)
18 (411-420) | (413-420)

Координаты во многом соответствуют, погрешность минимальна. Далее мы воспользуемся MembraneFold, чтобы построить 3D модель расположения субъеденицы белка по координатам, полученным с помощью DeepTMHMM

Сравним реальное положение мальтопорина со смоделированным(Рис.2;Рис.3):

**Рис.2** Субъеденицы мальтопорина расположены радиально симметрично. Так как мы исследуем расположение белков относительно мембраны, то можно рассмотреть одну субъеденицу, остальные 2 субъеденицы будут расположены в мембране подобным образом. На картинке изображена одна субъеденица и границы трансмембранного участка из OPM и построенные MembraneFold по координатам из DeepTMHMM. Границы на **Рис.2**: выше красной находится внеклеточная часть, ниже синей находится периплазма. Бирюзовым отмечены соответствующие границы, но построенные MembraneFold. Из рисунка можно сделать вывод, что для DeepTMHMM трансмембранный участок данного белка немного меньше, чем в реальности (погрешность работы алгоритма).

**Рис.3** Вот так в пространстве расположены 3 субъеденицы. Вид с внеклеточной стороны. Фиолетовым цветом показаны субъеденицы, зелёные сферы - ионы магния, также внутри каждой субъеденицы можно заметить по молекуле сахарозы (форма отображения не cartoon, а sticks).

Задание 2. Сравнение предсказаний трансмембранных участков в альфа-спиральном белке

Цель задания: сравнить результаты предсказаний трансмембранных участков по последовательности (с помощью DeepTMHMM) и по AlphaFold-модели структуры (сервер PPM) в α-спиральном белке.

Был выдан белок:
Название: Предполагаемый транспортный белок YE1478 (Putative transport protein YE1478)
UniProtKB(SwissProt) ID: Y1478_YERE8
Организм: Yersinia enterocolitica serotype O:8 / biotype 1B (strain NCTC 13174 / 8081)
Функция белка: Предполагается транспорт ионов калия

Возьмём последовательность белка из UniProt. Запустим DeepTMHMM.
Программа предсказала следующие координаты трансмембранных участков(Рис.4):
TM segments: 1(13-28),2(37-50),3(61-82),4(91-111),5(118-127),6(129-138),7(164-178),8(383-401),9(410-426),10(439-458),11(474-494),12(532-553)

**Рис.4** Первая картинка соотносит номер АМК и её положение (в трансмембранном положении, выходит ли в периплазму или в пространство вне клетки). Вторая картинка соотносит номер АМК и её вероятность быть в данном положении (положении, которое описано верхней картинкой).

Y1478_YERE8(3lines).txt

Запустим PPM 3.0:
Number of Membranes: 1
Type of membrane: Gram-negative bacteria inner membrane
Topology (N-ter): out (т.к. из Рис.4 видно, что N-конец расположен снаружи (Outside))
Include heteroatoms, excluding water and detergents, for positioning in membrane: no
Координаты предсказанных участков:
TM segments: 1(12-29),2(39-53),3(59-79),4(89-111),5(119-130),6(158-178),7(383-398),8(412-427),9(439-461),10(471-494),11(537-557)

Сравним полученные результаты:

№  DeepTMHMM   PPM3.0
1  (13-28)   | (12-29)
2  (37-50)   | (39-53)
3  (61-82)   | (59-79)
4  (91-111)  | (89-111)
5  (118-127) | (119-130)
6  (129-138) | (158-178)
7  (164-178) | (383-398)
8  (383-401) | (412-427)
9  (410-426) | (439-461)
10 (439-458) | (471-494)
11 (474-494) | (537-557)
12 (532-553) |  -------

Видно, что не все данные соответствуют друг другу, более того PPM3.0 выделил меньше трансмембранных участков. Попробуем искусственно подогнать координаты:

№  DeepTMHMM   PPM3.0
1  (13-28)   | (12-29)
2  (37-50)   | (39-53)
3  (61-82)   | (59-79)
4  (91-111)  | (89-111)
5  (118-127) | (119-130)
6  (129-138) |  -------
7  (164-178) | (158-178)
8  (383-401) | (383-398)
9  (410-426) | (412-427)
10 (439-458) | (439-461)
11 (474-494) | (471-494)
12 (532-553) | (537-557)

Теперь выглядит намного лучше, координаты отличаются минимально, однако хотелось бы понять, почему PPM3.0 Выделил 11 трансмембранных участков, а DeepTMHMM - 12.
Попробуем разобраться. DeepTMHMM считает, что АМК 128 находится вне трансмембранной области, а аминокислоты до неё(118-127) и после(129-138) - находятся в трансмембранном участке. Словно бы алгоритм не смог найти места для АМК 128. Мы можем вспомнить, что для PPM3.0 мы выбирали тип мембраны, в то время как для DeepTMHMM мы этого не могли сделать. Вероятно достаточный размер трансмембранного участка и позволил PPM3.0 уместить нужные аминокислоты.