Мембранные белки

Предсказание топологии мембранного белка
Aquaporin Z из Vibrio parahaemolyticus
с помощью профиля гидрофобности и с помощью TMHMM

Итак, мы начали с того, что с помощью программы pepwindow получили данные для построения профиля гидрофобности, который далее был создан, после чего были определены трансмембранные сегменты. Также топология белка была предсказана с помощью TMHMM. Результаты занесены в таблицу.

Предсказание топологии белка AQPZ_VIBPA
№ трансмембранного сегмента	Предсказание TM сегментов с помощью профиля гидрофобности		Предсказание TM сегментов с помощью TMHMM
	Начало	Конец	Начало	Конец
1			5	27
2	27	51	37	59
3	84	98	80	102
4	132	146	130	152
5	164	175	159	181
6	209	221	204	226

Ниже представлена разметка предсказанных трансмембранных сегментов белка AQPZ_VIBPA.

Также считаю необходимым прокомментировать полученный с помощью программы TMHMM график. На нем показаны вероятности для каждой аминокислоты принадлежать к альфа-спиралям трансмембранных сегментов, цитоплазматическим или внешним петлям между ними. Исходя из этих вероятностей программа "синтезирует" топологию белка, которая представлена тут же над графиком, а также сведена в таблицу.
Замечу, что длина всех предсказанных программой трансмембранных сегментов для любого белка одинакова и равна 23 аминокислотным остаткам, что, очевидно, связано с толщиной самой мембраны, то есть по умолчанию считается, что трансмембранные альфа-спирали всегда пронизывают мембрану насквозь.

Сравнение предсказания с 3D-структурой его близкого гомолога -
белка Aquaporin Z из Escherichia coli

Чтобы провести сравнение, сначала было сделано выравнивание исследуемого белка (поскольку 3D-структура белка AQPZ_VIBPA не изучена) и белка-прототипа AQPZ_ECOLI (из E.coli), для которого в БД OPM было найдено описание ТМ сегментов, которые были поставлены в соответствие определенным участкам белка AQPZ_VIBPA исходя из выравнивания:

Теперь можно подвести итоги. Ниже представлены: таблица и выравнивание, обобщающие все полученные данные - приведенные выше, а также таблица выводов.

Топология белка AQPZ_VIBPA
№ трансмембранного сегмента	Предсказание TM сегментов с помощью профиля гидрофобности		Предсказание TM сегментов с помощью TMHMM		Локализация белка AQPZ_VIBPA в мембране по данным ОРМ для белка AQPZ_ECOLI
	Начало	Конец	Начало	Конец	Начало	Конец
1			5	27	3	25
2	27	51	37	59	33	54
3					63	72
4	84	98	80	102	80	101
5	132	146	130	152	130	151
6	164	175	159	181	160	177
7					186	195
8	209	221	204	226	200	223

Данные таблицы визуализированы далее:

Далее представлена таблица, показывающая, насколько хороши использованные нами предсказания.

Сравнение 2-х предсказанных топологий и положения белка в мембране
		По профилю гидрофобности	TMHMM
Всего предсказано (N)		80	138
Из них:
	А. По данным ОРМ находятся внутри мембраны	74	121
	В. "Торчащие" из мембраны остатки на концах спиралей	6	17
	С. Вообще не имеют никакого отношения к трансмембранным спиралям	0	0
D. Число непредсказанных остатков, которые по данным ОРМ находятся в мембране		77	13
Точность предсказания, A/N		92,5%	87,7%
Сверхпредсказание, C/N		0	0
Недопредсказание, D/(L-N), где L=232 — длина последовательности		50,7%	13,8%

Таким образом, мы видим, что предсказание по профилю гидрофобности ненадежно, поскольку учитывает в основном только гидрофобные аминокислоты, в результате чего половина (!) аминокислотных остатков, входящих в состав ТМ сегментов, не было определено этим способом; неудивительно, что нет перепредсказания (еще бы оно было...). Предсказание с помощью программы TMHMM более надежно, все шесть ТМ сегментов были определены с точностью до границ (самый большой сдвиг - 4 аминокислотых остатка); в этом случае перепредсказания тоже нет, напротив, этот способ предсказания не смог определить маленькие ТМ сегменты - те, до и после которых петли белка находились в одной и той же "среде" (обе или в цитоплазме, или снаружи). Поэтому я лично предпочла бы использовать не программы, а данные ОРМ и PDB-структуры. К сожалению, они существуют далеко не для всех белков, поэтому эти программы и были созданы...