Простанственное выравнивание и совмещение2

Cовмещения структур

Из банка PDB были получены записи 1hy0.pdb и 1i0a.pdb. Затем с помощью сервиса pDomains было получено разделение последовательности на домены (по данным CATH):

1hy0
1HY0A1 	27-123	195-234
1HY0A2 	124-194	235-364	437-463
1HY0A3 	365-436

1i0a
1I0AA1 	27-123	195-234
1I0AA2 	124-194	235-364	437-463
1I0AA3 	365-436

Соответствующие домены были совмещены в PyMOL командой align. Полученные изображения:
a) Домен 1, RMSD = 0,371
На изображении видно, что петли цепей (сверху) не совпадают

б) Домен 2, RMSD = 0,409
На изображении видно, что есть несколько участков, где структуры расходятся (петли, а также концевой участок). Особенно сильное расхождение в верхней петле

в) Домен 3, RMSD = 0,527
Явных расхождений не наблюдается, но RMSD самое низкое среди всех трех доменов: по всей длине наложения последовательности слегка расходятся

В целом, совмещение последовательностей дало очень хорошие результаты: структуры почти везде совпадают.

Структурное выравнивание программой SSM

C помощью программы PDBeFOLD было построено структурное выравнивание цепи A из 1AKH и цепи A из 1W0T. Полученное выравнивание можно посмотреть здесь.
Таблица с выдачей программы:

Scoring			Rmsd	N_algn	N_g	%_seq	Query	Target (PDB entry)
Q	P	Z	Rmsd	N_algn	N_g	%_seq	%_sse	Match	%_sse	N_res	Title
`0.43`	`0.9`	`2.8`	`2.62`	`44`	`2`	`7`	`100`	`1w0t:A`	`100`	`52`	HTRF1 DNA-BINDING DOMAIN IN COMPLEX WITH TELOMERIC DNA.

Расшифровка обозначений таблицы

По полученному выравниванию c помощью программы Geometrical core было найдено геометрическое ядро. Посмотреть расположение остатков из геометрического ядра относительно выровненных последовательностей можно здесь.

Таблица с остатками, входящими в геометрическое ядро:

Pos.	1AKH_A	1W0T_A
11	ALA83	LYS389
12	PHE84	ASN390
13	LEU85	LEU391
15	GLU87	SER393
28	LYS100	TRP403
29	GLU101	SER404
30	GLU102	LYS405
31	VAL103	ILE406
41	THR110	THR416
42	PRO111	SER417
43	LEU112	VAL418
44	GLN113	MET419
45	VAL114	LEU420
46	ARG115	LYS421
47	VAL116	ASP422
48	TRP117	ARG423
49	PHE118	TRP424
50	ILE119	ARG425
51	ASN120	THR426
52	LYS121	MET427
53	ARG122	LYS428
54	MET123	LYS429
55	ARG124	LEU430

C помощью команды pair_fit в PyMOL по остаткам, указанным в таблице, были совмещены структуры 1AKН и 1W0T.

pair_fit ch1 and (resi 83-85,87,100-103,110-124) and name ca, ch2 and (resi 389-391,393,403-406,416-430) and name ca

Полученное изображение (RMSD=0.865, учитывались 23 атома):

Для сравнения эти структуры были выровнены с помощью команды align.
Полученное изображение для выравнивания остатков(RMSD=1,340, учитывались 69 атомов):

Полученное изображение для выравнивания Ca атомов остатков(RMSD=3,231, учитывались 13 атомов):

Как видно на изображениях, совмещены только концевые спирали, остальные атомы не учитывались. Поэтому, несмотря на то, что RMSD не очень велико (для выравнивания остатков, в то время как для Са атомов rmsd>3 и даже визуально структуры совмещены хуже , чем при выравнивании остатков целиком, это плохой результат), в целом последовательности почти не совмещены в пространстве.
Таким образом, выравнивание геометрических ядер дает гораздо более точные результаты.

Интересно, что команда align в случае структур 1HY0 и 1I0A хорошо совместила их домены, а в случае 1AKН и 1W0T совмещения не произошло, хотя это было возможно, судя по результатам pair_fit.
Сравним последовательности пар этих структур.
Выравнивание (построено с помощью needle) последовательностей 1HY0 и 1I0A:

 Identity:     391/454 (86.1%)
 Similarity:   430/454 (94.7%)
 Gaps:           8/454 ( 1.8%) 

=======================================

1HY0-A             1 -------DPIMQMLSTSISTEQRLSEVDIQASIAYAKALEKAGILTKTEL     43
                            ||||::||:||||||||:|||||||:|||||||||.|||||||
1I0A-A             1 GRFVGSVDPIMEILSSSISTEQRLTEVDIQASMAYAKALEKASILTKTEL     50

1HY0-A            44 EKILSGLEKISEELSKGVIVVTQSDEDIQTANERRLKELIGDIAGKLHTG     93
                     |||||||||||||.||||:|:||||||||||.|||||||||||||||.||
1I0A-A            51 EKILSGLEKISEESSKGVLVMTQSDEDIQTAIERRLKELIGDIAGKLQTG    100

1HY0-A            94 RSRNEQVVTDLKLFMKNSLSIISTHLLQLIKTLVERAAIEIDVILPGYTH    143
                     |||||||||||||.:|:|:|:|||||||||||||||||||||:|:|||||
1I0A-A           101 RSRNEQVVTDLKLLLKSSISVISTHLLQLIKTLVERAAIEIDIIMPGYTH    150

1HY0-A           144 LQKAQPIRWSQFLLSHAVALTRDSERLGEVKKRINVLPLGSGALAGNPLD    193
                     ||||.|||||||||||||||||||||||||||||.|||||||.||||||:
1I0A-A           151 LQKALPIRWSQFLLSHAVALTRDSERLGEVKKRITVLPLGSGVLAGNPLE    200

1HY0-A           194 IDREMLRSELEFASISLNSMDAISERDFVVEFLSVATLLLIHLSKMAEDL    243
                     ||||:|||||:..||:|||:|||||||||||.:||||||:|||||:||||
1I0A-A           201 IDRELLRSELDMTSITLNSIDAISERDFVVELISVATLLMIHLSKLAEDL    250

1HY0-A           244 IIYSTSEFGFLTLSDAFSTGSSLMPQKKNPDSLELIRSKSGRVFGRLASI    293
                     ||:||:||||:|||||:||||||:|||||||||||||||:||||||||:|
1I0A-A           251 IIFSTTEFGFVTLSDAYSTGSSLLPQKKNPDSLELIRSKAGRVFGRLAAI    300

1HY0-A           294 LMVLKGLPSTYNKDLQEDKEAVIDVVDTLTAVLQVATGVISTLQISKENM    343
                     ||||||:|||::||||||||||:||||||||||||||||||||||:||||
1I0A-A           301 LMVLKGIPSTFSKDLQEDKEAVLDVVDTLTAVLQVATGVISTLQINKENM    350

1HY0-A           344 EKALTPEMLATDLALYLVRKGMPFRQAHTASGKAVHLAETKGIAINNLTL    393
                     |||||||:|:|||||||||||||.|||.|||||||||||||||.||||||
1I0A-A           351 EKALTPELLSTDLALYLVRKGMPIRQAQTASGKAVHLAETKGITINNLTL    400

1HY0-A           394 EDLKSISPLFSSDVSQVFNFVNSVEQYTALGGTAKSSVTTQIEQLRELMK    443
                     ||||||||||:|||||||:.|||||||||:|||||||||.||||||||:|
1I0A-A           401 EDLKSISPLFASDVSQVFSVVNSVEQYTAVGGTAKSSVTAQIEQLRELLK    450

1HY0-A           444 KQKE    447
                     ||| 
1I0A-A           451 KQK-    453

Выравнивание (построено с помощью needle) последовательностей 1AKН и 1W0T:

Identity:       5/86 ( 5.8%)
Similarity:     8/86 ( 9.3%)
Gaps:          71/86 (82.6%)

=======================================

1AKH-A             1 ISPQARAFLEEVFRRKQSLNSKEKEEVAKKCGITPLQVRVWFINKRMRS-     49
                                                       ..|..:|..:|.:|| 
1W0T-A             1 ----------------------------------KRQAWLWEEDKNLRSG     16

1AKH-A            49 ------------------------------------     49
                                                         
1W0T-A            17 VRKYGEGNWSKILLHYKFNNRTSVMLKDRWRTMKKL     52

Как хорошо видно, первая пара последовательностей практически идентична. Именно для нее с помощью align было получено хорошее совмещение. Но для второй пары картина другая: выравнивания практически нет, с минимальным сходством и идентичностью выровнены концевые участки. Возможно, именно это и объясняет ситуацию с align (с помощью которой для второй пары также было получено совмещение лишь концевых участков структур). Align, видимо, сначала строит выравнивание последовательностей, а затем по нему выравнивание структур, которое несколькими итерациями (отбрасывая плохо совмещающиеся остатки) улучшает (уменьшая RMSD). Таким образом, хорошо совмещены могут быть только близкие структуры. В случае с отдаленными (как 1AKН и 1W0T: первая находится у дрожжей, а вторая - у человека, их последовательности почти не совпадают) результат работы align будет плохим.

По-другому работает команда super. Она строит независимое от последовательностей выравнивае структур и итеративно его улучшает. Такой подход удобен в случаях, подобных описанному выше для 1AKН и 1W0T.

super ch1, ch2

Полученное изображение для совмещения остатков (RMSD=2.186, учитывалось 192 атома):

super ch1 and name ca, ch2 and name ca

Полученное изображение для совмещения Ca атомов (RMSD=1.970, учитывалось 39 атомов):

RMSD полученных совмещений выше, чем у тех, что были получены с помощью align и pair_fit, однако длина выравнивания намного больше, что явяляется хорошим показателем. Так же, как и по резульататм pair_fit, совмещены альфа-спирали, в то время как петли сильно расходятся.