Трансмембранные белки

В базе данных OPM из белков, в трансмембранной части которых находятся β-листы (Type: Transmembrane, Class: Beta-barrel transmembrane), была выбрана структура 6h3i, включающая 3 белка, 2 из которых являются трансмембранными.

Трансмембранные белки:

  1. Белок SprA. PDB ID: 6H3I, UniProt ID: Q5I6C7_FLAJ1, организм - Flavobacterium johnsoniae.

  2. Белок системы секреции IX типа, содержащий домен PorV (Type IX secretion system protein PorV domain-containing protein). PDB ID: 6H3I, UniProt ID: A5FJM7_FLAJ1, организм - Flavobacterium johnsoniae.

Данные белки принимают участие в формировании бактериальной системы секреции IX типа (Рис. 1). Данные системы секреции распространены среди грамотрицательных бактерий суперфилума FCB (Fibrobacterota, Chlorobiota, Bacteroidota), и, по-видимому, являются факторами патогенности при остром пародонтите. Помимо транспортных функций данная система секреции, вероятно, может быть задействована в скользящем движении бактериальной клетки [1].

Type IX secretion system scheme
Рисунок 1. Схематичное изображение бактериальной системы секреции IX типа [2].

Системы секреции IX типа состоят из большого числа белков и пронизывают обе мембраны (Рис. 1). Белок SprA формирует пору во внешней мембране, при этом с внеклеточной стороны выход из поры располагается сбоку относительно оси белка. С данным боковым отверстием могут связываться другие трансмембранные белки, содержащие домен PorV, регулируя проницаемость SprA для различных соединений [1].

Определение трансмембранных участков белка

Согласно структурным данным (Рис. 2) SprA имеет 36 трансмембранных участков:

1 (140-150), 2 (168-179), 3 (190-195), 4 (202-208), 5 (219-223), 6 (242-249), 7 (252-260), 8 (756-766), 9 (770-779), 10 (799-808), 11 (829-839), 12 (1520-1528), 13 (1533-1540), 14 (1564-1569), 15 (1582-1591), 16 (1636-1645), 17 (1660-1667), 18 (1685-1694), 19 (1728-1735), 20 (1764-1772), 21 (1780-1785), 22 (1821-1827), 23 (1842-1849), 24 (1881-1887), 25 (1945-1954), 26 (2014-2022), 27 (2029-2034), 28 (2175-2183), 29 (2199-2207), 30 (2253-2258), 31 (2263-2271), 32 (2291-2298), 33 (2322-2329), 34 (2353-2361), 35 (2369-2376), 36 (2391-2399).

Type IX secretion system structure
Рисунок 2. Изображение структуры части системы секреции IX типа бактерии Flavobacterium johnsoniae, представленное на странице в OPM. Дополнительно подписаны трансмембранные белки SprA (SprA) и белок, содержащий PorV-подобный домен (PorV-like), а также не являющаяся трансмембранной пептидилпролилизомераза (PPI). Красным показана внеклеточная сторона внешней мембраны, синим - периплазматическая.

Белок, содержащий домен PorV, имеет 14 трансмембранных участков:

1 (73-80), 2 (90-98), 3 (106-114), 4 (137-147), 5 (154-160), 6 (180-190), 7 (202-211), 8 (230-239), 9 (247-254), 10 (323-330), 11 (338-344), 12 (353-361), 13 (367-376), 14 (388-393).

По последовательностям данных двух белков при помощи DeepTMHMM были предсказаны трансмембранные домены (Рис. 3).

Type IX secretion system TMHMM predictions
Рисунок 3. Результаты предсказаний DeepTMHMM для рассматриваемых белков.

Для SprA было предсказано 36 трансмембранных участков:

1 (142-150), 2 (169-177), 3 (191-196), 4 (201-207), 5 (221-230), 6 (241-247), 7 (254-268), 8 (754-764), 9 (771-780), 10 (798-806), 11 (832-840), 12 (1519-1527), 13 (1533-1541), 14 (1563-1570), 15 (1584-1592), 16 (1634-1643), 17 (1660-1667), 18 (1683-1691), 19 (1728-1736), 20 (1764-1770), 21 (1778-1786), 22 (1820-1829), 23 (1842-1850), 24 (1881-1888), 25 (1947-1955), 26 (2013-2023), 27 (2028-2035), 28 (2175-2184), 29 (2201-2208), 30 (2248-2257), 31 (2264-2271), 32 (2290-2297), 33 (2323-2329), 34 (2353-2360), 35 (2369-2376), 36 (2391-2398).

Для белка с доменом PorV предсказано 14 участков:

1 (73-80), 2 (90-98), 3 (106-114), 4 (137-147), 5 (154-160), 6 (180-190), 7 (202-211), 8 (230-239), 9 (247-254), 10 (323-330), 11 (338-344), 12 (353-361), 13 (367-376), 14 (388-393).

Как можно видеть (Рис. 4), для белка с доменом PorV предсказанные TMHMM трансмембранные участки полностью совпадают с таковыми, определенными исходя из структуры белка.

Для белка SprA же несмотря на то, что все предсказанные трансмембранные участки находятся примерно в тех же позициях, что и предсказанные по структуре, абсолютно точных совпадений в координатах почти не встречается (только для участков с номерами 17 и 35). Это может быть связано с тем, что в белке SprA многие β-листы наклонены или искажены, из-за чего полностью внутри мембраны оказывается меньшее число аминокислотных остатков, чем можно было бы ожидать. В то же время трансмембранные участки, предсказанные моделью DeepTMHMM, скорее всего будут иметь более типичную длину, из-за чего длина коротких участков, определенных по структуре, будет завышена в результатах работы модели (например, это верно для участков 5 и 7).

Type IX secretion system TMHMM prediction and structure comparison
Рисунок 4. Сравнение трансмембранных участков, определенных по структуре и предсказанных при помощи DeepTMHMM, на базе структур рассматривамых белков, приведенных в OPM. Зеленые участки белков соответствуют фрагментам, определяемым как трансмембранные обоими способами, красные - только по структурным данным, синие - только DeepTMHMM. Красная плоскость соответствует внеклеточной стороне внешней бактериальной мембраны, синяя - периплазматической.

Также можно заметить, что в предсказании TMHMM многие трансмембранные участки "смещаются" в сторону межклеточного пространства (Рис. 4). Вероятно, это может быть связано с тем, что для белка SprA характерны очень короткие участки, расположенные в периплазматическом пространстве. При этом DeepTMHMM завышает их длину.

Поиск белков в базе данных TCDB

В базе данных транспортеров TCDB рассматриваемой системе секреции IX типа соответсвует запись с TC-кодом 2.A.130.1.2, для этой системы секреции имеются ссылки на 19 белков, среди которых есть рассмотренный ранее белок SprA с UniProt ID Q5I6C7_FLAJ1. В качестве же белка, содержащего домен PorV, в данном случае указан белок с UniProt ID A5FN94_FLAJ1, для которого отсутствует структура в PDB. Выравнивание последовательностей данных двух белков при помощи алгоритма MAFFT показало низкое сходство аминокислотных последовательностей. Однако структурное выравнивание при помощи инструмента PDB известной структуры белка A5FJM7_FLAJ1 (из записи 6H3I в PDB) с предсказанием AlphaFold для A5FN94_FLAJ1 показало их значительное сходство. Таким образом, можно предположить, что данные белки являются сильно разошедшимися паралогами.

TC-код рассматриваемой системы секреции IX типа (2.A.130.1.2) содержит следующую информацию:

Таким образом, TC-код для транспортеров несколько напоминает EC-код для ферментов.

Можно рассмотреть, какой код будет иметь другой трансмембранный белок, например, аквапорин-4 Rattus norvegicus (OPM ID: 2zz9). Для данного белка указано, что он относится к семейству 1.A.8 согласно классификации TCDB. Более подробное его положение в системе TCDB не указано, поскольку конкретно этот белок отсутсвует в базе данных (однако, есть аквапорин-4 человека с кодом 1.A.8.8.5). В этом случае:

Может показаться странным тот факт, что системы секреции IX типа относятся к классу 2 (транспортеры, движимые электрохимическим градиентом), но не к классу 1 (поры и каналы). Это связано с тем, что данные системы секреции функционируют за счет протонного градиента на внутренней мембране бактерий, приводящего в движение белки GldL и GldM (Рис. 1).

ЛИТЕРАТУРА И ИСТОЧНИКИ

  1. Lauber, F., Deme, J.C., Lea, S.M. et al. Type 9 secretion system structures reveal a new protein transport mechanism. Nature 564, 77–82 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0693-y

  2. Trivedi A, Gosai J, Nakane D, Shrivastava A. Design Principles of the Rotary Type 9 Secretion System. Front Microbiol. 2022 May 10;13:845563. doi: 10.3389/fmicb.2022.845563. PMID: 35620107; PMCID: PMC9127263.