Критический анализ модели белка арсенатредуктазы Bacillus subtilis, представленной в банке PDB, код 1JL3.

Свистунова Д.М., факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ
В статье Bacillus subtilis arsenate reductase is structurally and functionally similar to low molecular weight protein tyrosine phosphatases авторами подробно описаны этапы эксперимента по определению пространственной структуры арсенатредуктазы из бактерии B. subtilis.

Арсенатредуктаза - белок, который катализирует реакцию обращения арсената в арсенит, который менее вреден для клетки и выводится из нее с помощью специального транспортера.
В кристалле асимметрическая единица арсенатредуктаза состоит из 4 субъединиц, являясь гомотетрамерным белком. Однако в растворе арсенатредуктаза - мономер. Субъединица белка состоит из 139 аминокислот, которые образуют 4 параллельных β-тяжа и 6 α-спиралей.

В 2001 году авторами Matthew S. Bennett, Zhi Guan, Martin Laurberg, и Xiao-Dong Su была расшифрована 3D структура этого белка. В работе показано, что пространственная структура арсенатредуктазы очень близка к структуре бычьей тирозиновой фосфатазы. На рисунке представлено структурное выравнивание двух белков (желтый - арсенатредуктаза, голубой - бычья фосфотаза). Видно, что структуры действительно очень похожи, хотя их последовательности имеют лишь 18% одинаковых остатков.

Фазовая проблема была решена совмещением методов мультиволнового аномального рассеяния и изоморфного замещения. Три длины волны использовалось при работе с Se-замещенным кристаллом и две - при работе с ртутью (кристалл вымачивался в CH3Hg-THI Na (прошу прощения, но я не смогла найти, сколько именно Na присоединяет CH3Hg-THI :( )). Всего в ходе эксперимента было измерено 74177 структурных факторов. Структура была определена с разрешениями от 26.75 до 1.60 Å. К сожалению, в структуре присутствует информация не обо всех остатках, а только о 97.3%. Зато из этих остатков 95.8% попадают в наиболее предпочитаемую область по значениям углов, а 4% - в просто разрешенную. Лишь один остаток находится в области с не очень хорошими значениями. Это Glu31, который находится на изгибе от β-тяжа к α-спирали. Вероятно, именно поэтому он имеет неоптимальные значения углов.

Сервис http://swift.cmbi.ru.nl/gv/pdbreport/ дал информацию о многочисленных станностях в структуре белка. Во-первых, часть атомов отсутствует:

Но это атомы последних остатков на цепи, так что ничего удивительного нет. Самый конец цепи вряд ли имеет регулярную структуру, поэтому от молекулы к молекуле положение остатков в пространстве может меняться, потому определить координаты и не удалось.

Далее видим, что некоторые остатки, исходя из водородных связей, должны быть другими:

Замена Asn на Asp и Gln на Glu... В белке в этом месте находятся те же аминокислоты, что и в PDB структуре. Возможно, в структуре в этом месте немного неправильно определены водородные связи, вот программа и предлагает другой остаток.

Большое количество атомов имеет странную конфигурацию, которая не встречается в других белках:

Я рассмотрела Cys10 и Arg16. Для них объяснением этого факта могут служить две вещи - они находятся в основании либо β-тяжа, либо α-спирали, соответственно и оба находятся на поверхности белка (отмечены розовым на картинке). Оба эти фактора могут влиять на необычную конфигурацию.

Также были найдены остатки с необычным окружением:

Рассмотренный мною Gln110 оказался торчащим из молекулы, то есть странность его окружения объясняется просто нахождением на поверхности (отмечен бирюзовым).

Оптимизированная структура белка несколько отличается от изначальной - в одной из α-спиралей на один остаток меньше, один из β-тяжей стал короче. Так же изменилась вода - в изначальной модели есть молекулы, отсутствующие в оптимизированной.

В своей работе авторы подробно исследовали сходства арсенатредуктазы и бычьей тирозиновой фосфотазы, при этом все их предположения кажутся вполне разумными. Определенная ими структура является достаточно полной для использования ее в дальнейших исследованиях белка, хоть в ней и отсутствуют некоторые остатки. Структура определена с хорошим разрешением, что позволяет предположить, что она вообще определена правильно, и там вдруг не возникли из неоткуда странные остатки и элементы вторичной структуры.