Трансмембранные белки

Последующие задания выполнялись с белком AZG2_PAELB, являющимся нуклеотидным транспортером из организма Paenibacillus larvae. Для работы была скачана последовательность белка и предсказание его трехмерной структуры.

1. База данных OPM

Для анализа был выбран Porin MspA:

Название: Main porin from Mycobacterium smegmatis (MspA) – Основной порин Mycobacterium smegmatis (MspA)
Организм Mycolicibacterium smegmatis - Грам+ бактерия
Функция: Транспорт из внеклеточной среды фосфатов, различных аминокислот и катионов. Также играет роль в транспорте антибиотиков бета-лактамного ряда.
Выдача ОРМ: Ссылка
Идентификатор Uniprot: A0QR29
Структура: 1UUN

Толщина трансмембранной части белка:	40,7 Å
Координаты трансмембранных участков:	A: 1(74-83),2(111-119) B: 1(74-83),2(111-119) C: 1(74-83),2(111-119) D: 1(74-83),2(111-119) E: 1(74-83),2(111-119) F: 1(74-83),2(111-119) G: 1(74-83),2(111-119) H: 1(74-83),2(111-119)
Количество остатков а/к в одном тяже β-листа:	19
Местонахождение белка:	Единственная мембрана Грам+ бактерии

Рис. 1 Структура белка MspA с трансмембранным участком. Синим показана n-сторона, красным - p-сторона.

Комментарии к таблице:
1) Ширина трансмембранного участка подтверждается данными со страницы выдачи ОРМ (The calculated intrinsic hydrophobic thickness of the MspA stem domain is ~41 A.)
2) Белок является гомооктомером, поэтому координаты трансмембранных участков в разных субъединицах одинаковы.
3) Количество остатков а/к в одном тяже β-листа бралось для одной субъединицы, хотя формально это все один β-лист, формирующий β-бочонок.
4) M. smegmatis является Грамм-положительной бактерией, поэтому она имеет только одну мембрану, в которой и находится изучаемый белок.

2. DeepTMHMM

Для анализа и предсказания были взяты два белка:

Main porin M. smegmatis (MspA) из предыдущего упражнения
Nucleobase transporter PlAzg2(AZG2_PAELB)

Иллюстрация выдачи: на верхнем рисунке изображено расположение белка в мембране: красным цветом выделены трансмембранные участки, синим - внеклеточные, розовым - внутриклеточные. На нижнем рисунке для каждого остатка белка показаны вероятности вхождения в одну из этих категорий, цвета те же.

PlAzg2

Рис. 2 Предсказание положения участков белка PlAzg2 относительно мембраны.

Текстовая-gff3 выдача сервиса

Для данного белка отчетливо предсказаны 13 трансмембранных участков, что согласуется с его структурой, предсказанной AlphaFold

MspA

Рис. 3 Предсказание положения участков белка MspA относительно мембраны.

Текстовая-gff3 выдача сервиса

В случае данного белка DeepTMHMM не справился правильно аннотировать участки. Алгоритм выдал наличие сигнального участка, а оставшийся фрагмент, по его мнению, никак не связан с мембраной. Я думаю, это связано с тем, что белок является мономером в октомерном комплексе и его трансмембранные свойства проявляются только в присутствии остальных составляющих комплекса

3. PPM

В данном разделе проведено предсказание топологии для выданного альфа-спирального белка Nucleobase transporter PlAzg2 (нуклеотидый транспортер PlAzg2), относящийся к азагуанин-подобным транспортерам. Белок закодирован в геноме бактерии-паразита медоносных пчел Paenibacillus larvae.

Для запуска алгоритма использовались следующие параметры:

Number of Membranes: 1
Type of membrane: Gram-positive bacteria inner membrane (по данным wikipedia)
Allow curvature: no (чтобы не усложнять анализ выдачи)
Topology (N-ter): in (по предсказанию DeepTMHMM)

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

Толщина гидрофобной части (Глубина)	29.9 ± 1.1 Å
Угол изгиба	18 ± 0°
Трансмембранные сегменты	1(91-112), 2(116-138), 3(148-162), 4(168-194), 5(197-220), 6(241-257), 7(262-277), 8(312-333), 9(345-362), 10(384-409), 11(410-427), 12(435-453), 13(454-473), 14(480-496)
Средняя длина трансмембранного сегмента	20.3 остатка

Рис.4 Предсказаная локализация белка PlAzg2 в мембране. Красным цветом показана положительно заряженная сторона мембраны (направлена наружу). Синим цветом показана отрицательно заряженая сторона мембраны (направлена в сторону цитоплазмы).

4. Сравнение алгоритмов предсказания

DeepTMHMM ппоказал себя противоречиво для выбранных белков, как алгоритм предсказания трансмембранных участков. Для белка MspA он совершенно не справился с задачей: не предсказал верно ни один участок. Возможно это связано с олигомерностью белка или с тем, что алгоритм не рассчитан на предсказание положения мономеров относительно мембраны.

Для белка PlAzg2 DeepTMHMM предсказал 13 трансмембранных участков, в то в время как PPM предсказывает 14 (участок 9(345-362) в предсказании DeepTMHMM является наружним), AlphaFold предсказывает данный участок трансмембранным с высокой степенью уверенности. Остальные трансмембранные участки отличаются по координатам в среднем на 2-3 аминокислотных остатка. Структура, полученная при помощи AlphaFold (Рис. 4), имеет высокую оценку качества предсказания почти для всех аминокислотных остатков. Качество предсказания снижено только в двух месте – на N-концевом участке и участке с 280-294 остатки.

Могла ли достоверность модели оказать влияние на результаты предсказания сервера PPM? Да, вероятно могла, так как результаты PPM и AlphaFold схожи и в некоторых местах отличаются от предсказаний DeepTMHMM.

Рис. 4 Структура белка PlAzg2, предсказанная с помощью AlphaFold. Синее - высокая достоверность. Оранжевое - низкая.