Transmembrane proteins

База данных OPM

Был исследован трансмембранный белок класса содержащих бета-бочонки. Это липид-А-ацилаза PagP (Lipid A acylase PagP) Escherichia coli, которая располагается во внешней мембране (PDB: 3gp6, Uniprot: PAGP_ECOLI). Структура и положение белка в мембране (внешняя сторона отмечена красным, нижняя – синим) показаны на рис. 1.

Гидрофобная часть белка имеет толщину 24.7 Å, что характерно, учитывая размер бета-бочонкка. К ней относятся фрагменты: 1(22-30),2(53-58),3(65-74),4(81-94),5(101-114),6(121-133),7(136-144),8(153-161).

Предсказание трансмембранных элементов

С помощью DeepTMHMM были исследованы возможности предсказания трансмембранных участков альфа-спиральных и бета-листовых белков. В качестве альфа-спирального белка на пробу был выбран AMJ_BACSU (fasta, текстовая выдача), о котором подробнее написано в последнем пункете. Из бета-листовых белков был выбран упомянутый выше PAGP_ECOLI (fasta, текстовая выдача). Ниже преставлена графическая иллюстрации работы DeepTMHMM. На верхней диаграмме каждого из двух рисунков указаны положения относительно мембраны каждого из участков (inside, membrane, outside). В нижней диаграмме для каждной позиции показана вероятность нахождения соответствующей аминокислоты в данном положении относительно мембраны. В обоих случаях N- и С-концы находятся вне мембраны. У PAGP_ECOLI обнаружен сигнальный участок периплазматической локализации.

Предсказание положения в мембране

Далее было предсказано положение белка AMJ_BACSU (флиппазы II, Flippase II сенной палочки) в мембране. Как известно, у Bacillus subtilis всего одна цитоплазматическая мембрана, так как бактерия граммположительная. Также белок пересекает только одну мембрану. Был выбран параметр "Allow curvative" и "Topology N-ter". Данные для последнего параметра были взяты из pdb-файла модели AlphaFold. Так как кроме атомов белка структура ничего не содержит, опция исключения посторонних молекул включена не была. Предсказанная структура, а также положение белка в мембране показаны ниже.

Сами участки: 1(6-29), 2(42-63), 3(83-103), 4(157-179), 5(194-216), 6(236-255).

Сравнение предсказательных алгоритмов

Альфа-спиральный белок

Ниже представлены результаты работы DeepTMHMM и PPM.

DeepTMHMM: 1(8-25), 2(38-58), 3(84-104), 4(161-182), 5(192-212), 6(241-258).

PPM: 1(6-29), 2(42-63), 3(83-103), 4(157-179), 5(194-216), 6(236-255).

Как видно, результаты предсказаний похожи и статистически зависимы друг от друга. Трансмембранных участков в обоих случаях шесть, их перекрытие хорошее. Однако ни один интервал не совпадает полностью. Каких либо тенденций опускания каким-либо алгоритмом участков с n~ или c-конца не наблюдается.

На рис. 5 показана иллюстрация из Uniprot модели AlphaFold. Она имеет очень выокий уровень правдоподобия за исключением небольшого участка вне мембраны с неопределенной структурой. Качество предсказания положения в мембране напрямую зависит от качества модели AlphaFold хот бы потому что именно от альфа-спиралей зависит, какая часть белка погружена в мембрану.

Бета-листовой белок

Ниже представлены результаты работы DeepTMHMM и данные OPM.

DeepTMHMM: 1(48-57), 2(74-82), 3(93-99), 4(107-115), 5(129-138), 6(145-157), 7(161-169), 8(176-185).

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

Результат работы DeepTMHMM совсем не соответствуют данным из OPM. Несмотря на то, что число трансмембранных участков совпало, они плохо перекрывались. Для некоторых участков, предсказанных DeepTMHMM явно не могло быть какого-либо соответствия данным OPM: 2(74-82), 6(145-157), 7(161-169), 8(176-185). Также четыре участка из OPM обнаружены явно не были. Часть предсказанной сигнальной последовательности согласно данным OPM лежала внутри мембраны: 1(22-30).

База данных TCDB

Был произведен поиск данных в TCDB по флиппазе II (ID: AMJ_BACSU; AC: P96581) сенной палочки, Bacillus subtilis. Флиппазы наряду с флопазами и скрэмблазами – это трансмембранные транспортные АТФазы, которые осуществляют транспорт молекул липидов между двумя слоями мембраны по механизму "флип-флоп", потребляя энергию в виде АТФ. Конкретно флиппазы переносят липиды в одну сторону: с внешнего слоя мембраны на внутренний. Данная флиппаза II участвует в синтезе пептидогликана, а именно переносит дисахарид-пентапептид, который синтезируется как липид-связанный прекурсор[1].

В TCDB поиск по первичному AC не дал результатов, затем он был произведен по вторичным, A7XMW3 и Q797M7, что также не дало результатов. В итоге было введено название гена, ydaH. Из найденных записей непосредственно продукту гена была посвящена запись о белке морской грамотрицательной бактерии Alcanivorax borkumensis. Непосредственно описание из записи представлено ниже. Однако оно не вполне соответствует той информации, которая была найдена по исследуемому белку вне базы данных.

Транспортер YdaH из 492 аминокислот, связывающий п-аминобензоилглутамат. Кристаллическая структура известна. Она демонстрирует димерную молекулу с архитектурой, отличной от других семейств транспортеров. YdaH представляет собой чашеобразный димер с заполненным растворителем резервуаром, простирающимся от цитоплазмы до середины бислоя мембраны. Каждая субъединица транспортера содержит девять трансмембранных спиралей и две шпильки, по которым можно предположить путь транспорта субстрата. YdaH может действовать как насос для выкачивания антибиотиков, и, возможно, он связан с устойчивостью бактерий к сульфонамидным антиметаболитам. Было показано, что MtrF и YdaH, а также переносчик дикарбоксилата INDY имеют сходные трехмерные складки, что подтверждало отнесение этих двух семейств к одному и тому же надсемейству.

Библиография

[1] Butler, Emily K. et al. “Charge Requirements of Lipid II Flippase Activity in Escherichia coli.” Journal of Bacteriology 196 (2014): 4111 - 4119.