Введение

Убиквитин является маленьким белком приблизительно 76 аминокислот, найденных во всех эукариотических ячейках и очень хорошо сохраненных среди разновидностей. Посредством постпоступательной модификации множества белков убиквитин вовлечен во многие разнообразные биологические процессы, включая ухудшение белка, торговлю белком, восстановление ДНК, регуляцию генов, и т.д. Из-за его повсеместного присутствия в ячейках и его участия во многих основных процессах, убиквитин был особым вниманием обширного исследования в последовательности, структурном, и функциональном уровне.

Можно просмотреть 3D структуру убиквитина путем загрузки файла кристаллической структуры с базы данных PDB и затем отображения его с помощью molviewer функция. По умолчанию структура белка представляется таким образом, что каждый атом представлен мячом, и каждая связь представлена палкой. Можно изменить режим рендеринга путем выбора параметров отображения ниже фигуры. Можно также вращать и управлять структурой перетаскиванием нажатия кнопки белок или путем ввода команд Rasmol в Консоль Сценариев.

В этом примере мы исследуем структурные характеристики убиквитина через комбинации команд Rasmol, переданных evalrasmolscript функция. Однако можно выполнить тот же анализ при помощи окна Molecule Viewer. Информация для белка убиквитина предоставляется в MAT-файле ubilikedata.mat.

load('ubilikedata.mat','ubi')

В качестве альтернативы можно использовать getpdb функция, чтобы получить информацию о белке из репозитория PDB и загрузить его в MATLAB®. Обратите внимание на то, что данные в общедоступных репозиториях часто курируются и обновляются; поэтому результаты этого примера могут немного отличаться, когда вы используете актуальные наборы данных.

ubi = getpdb('1ubi');

h1 = molviewer(ubi);

evalrasmolscript(h1, 'select all; wireframe 100; background black;');

Рендеринг молекулы

Мы можем посмотреть на сгиб убиквитина при помощи "мультипликационного" рендеринга, который ясно отображает вторичные элементы структуры. Мы ограничиваем наш выбор белком, поскольку мы не интересуемся отображением других неоднородных частиц, таких как молекулы воды.

% Display the molecule as cartoon and color the atoms according to their
% secondary structure assignment. Then remove other atoms and bonds.
evalrasmolscript(h1, ['spacefill off; wireframe off; ' ...
                      'restrict protein; cartoon on; color structure; ' ...
                      'center selected;']);

Исследование молекулы путем вращения и изменения масштаба

Сгиб убиквитина состоит из пяти антипараллельных бета скруток, одной альфа-спирали, маленькой спирали 3-10, и нескольких поворотов и циклов. Сгиб напоминает маленький баррель с бета листом, формирующим одну сторону и альфа-спираль, формирующую другую сторону барреля. Нижняя часть закрывается спиралью 3-10. Мы можем лучше ценить компактный, шаровидный сгиб убиквитина путем вращения структуры 360 градусов и путем увеличения и уменьшения масштаба использования команды "перемещения".

% Animate the display by making the structure spin and zoom in
evalrasmolscript(h1, ['move 0 180 0 40 0 0 0 0 5; ' ... %
                      ... %  rotate y by 180, zoom in by 40, time = 5 sec
                      'move 0 180 0 -40 0 0 0 0 5;']); 
                          %  rotate y by 180, zoom out by 40, time = 5 sec

Оценка распределения заряда аминокислоты в структуре

Компактность и высокая устойчивость сгиба убиквитина связаны с пространственным распределением гидрофобных и гидрофильных аминокислот в свернутом состоянии. Мы можем посмотреть на распределение заряженных аминокислот путем выбора положительно и отрицательно заряженных остатков и затем путем рендеринга этих атомов с различными цветами (красный и синий соответственно). Мы можем также представить молекулы воды как белые, чтобы видеть их отношение к заряженным остаткам.

evalrasmolscript(h1, ['select protein; color gray; ' ... 
                      'select positive; color red; spacefill 300; ' ...
                      'select negative; color blue; spacefill 300; ' ...
                      'select HOH; color white; spacefill 100;']); % water atoms

Заряженные аминокислоты расположены, в основном, на поверхности, отсоединенной растворителю, где они взаимодействуют с молекулами воды. В частности, мы замечаем, что распределение заряда не универсально через стороны барреля убиквитина. На самом деле сторона с альфа-спиралью, кажется, более переполнена заряженными аминокислотами, чем сторона, содержащая бета скрутки.

Исследование профиля гидрофобности структуры

Мы можем выполнить подобный анализ путем рассмотрения пространственного распределения некоторых гидрофобных аминокислот, таких как Аланин, Изолейцин, Valine, Лейцин и Метионин. Можно также использовать метку Rasmol, "гидрофобную", чтобы выбрать все гидрофобные остатки.

% color hydrophobic amino acids green
evalrasmolscript(h1, ['select all; spacefill off; color gray; ' ...
                      'select Ala or Ile or Val or Leu or Met; ' ...
                      'color green; wireframe 100;' ...
                      'move 90 0 0 0 0 0 0 0 1; move 0 -45 0 0 0 0 0 0 1']);

В отличие от заряженных аминокислот выше, гидрофобные аминокислоты расположены, в основном, во внутренней части барреля. Это дает высокую устойчивость сгибу убиквитина, поскольку гидрофобные аминокислоты экранируются от растворителя, делая структуру белка компактной и трудной.

Измерение атомарных расстояний

Убиквитин отображает трудный сгиб с одной альфа-спиралью, пересекающей одну сторону маленького барреля. Длина этой альфа-спирали представляет некоторое изменение среди представителей подобного убиквитину семейства белков. Мы можем определить фактический размер спирали или путем двойного щелчка по соответствующим атомам или при помощи MATLAB® и команд Rasmol можно следующим образом.

% reset the display to cartoons
evalrasmolscript(h1, ['reset; select all; spacefill off; wireframe off; '...
                     'cartoon on; color structure;']);

% determine the boundaries of the alpha helix
initHelixRes = ubi.Helix(1).initSeqNum % alpha helix starting residue

initHelixRes = 23

endHelixRes = ubi.Helix(1).endSeqNum % alpha helix ending residue

endHelixRes = 34

% highlight the starting and ending residues of helix
evalrasmolscript(h1, ['select ' num2str(initHelixRes) ' or ' ...
    num2str(endHelixRes) '; color red; wireframe 100;']);

% determine atom numbers for starting and ending residues
initHelixAtoms = ubi.Model.Atom([ubi.Model.Atom(:).resSeq]==initHelixRes);
endHelixAtoms = ubi.Model.Atom([ubi.Model.Atom(:).resSeq]==endHelixRes);
initHelix = min([initHelixAtoms.AtomSerNo]); % Helix starting atom
endHelix = min([endHelixAtoms.AtomSerNo]); % Helix ending atom
evalrasmolscript(h1, ['measure ' num2str(initHelix) ' ' num2str(endHelix) ';']);

Отображение и маркировка остатков лизина в структуре убиквитина

Процесс убиквитинирования - прикрепления молекулы убиквитина к целевому белку - установлен формированием связи изопептида между C-терминалом хвост с 4 остатками убиквитина и Лизином целевого белка. Если целевой белок является другим убиквитином, процесс называется полиубиквитинированием. Цепи полиубиквитина, состоящие по крайней мере из четырех убиквитинов, используются, чтобы пометить целевые белки для ухудшения протеасомой. Все семь Лизинов в убиквитине могут использоваться в процессе полиубиквитинирования, приводящем к различным цепям, которые изменяют целевой белок по-разному. Мы можем посмотреть на пространственное распределение Лизинов на сгибе убиквитина путем выбора и маркировки альфа-углерода каждого Лизина в структуре.

% highlight the Lysine residues in the structure and the C-terminal tail
% involved in the isopeptide bond formation
evalrasmolscript(h1, ['restrict protein; cartoon off; wireframe off; measure off; ' ...
                      ... % undo previous selection
                      'backbone 100; color structure; select Lys; wireframe 100; ' ...
                      ... % select Lysines
                      'select Lys and *.ca; spacefill 300; labels on; ' ...
                      ... % label alpha carbons
                      'select 72-76; wireframe 100; color cyan; ']);
                          % select C-terminal tail

Несколько исследований показали, что различные роли играют полиубиквитины, когда молекулы соединены через различные Лизины. Например, Lys (11) - Lys (29) - и Lys (48) - соединенные полиубиквитины предназначаются для белков для протеасомы (i.e., для ухудшения). В отличие от этого Lys (6) - и Lys (63) - соединенные полиубиквитины сопоставлены с обратимыми модификациями, такими как управление торговлей белком.

Исследование связи изопептида в Diubiquitin

Кристаллическая структура diubiquitin цепи, состоящей из двух половин, представлена в записи PDB 1aar. Мы можем просмотреть и пометить фактическую связь изопептида между хвостом C-терминала одного убиквитина (помеченной как цепь A) и Lys (48) из другого убиквитина (помеченный как цепь B).

Получите белок 1aar из PDB или загрузите данные из MAT-файла.

aar = getpdb('1aar');

load('ubilikedata.mat','aar')

h2 = molviewer(aar);

evalrasmolscript(h2, ['restrict protein; color chain;  ' ...
                      'spacefill off; wireframe off; ' ... 
                      'cartoon on; select 76:A, 48:B; spacefill;  ' ...
                      ... % isopeptide bond
                      'select 76:A and *.ca; ' ... % select alpha carbon
                      'set labeloffset 40 10; label isopeptide bond; ' ...
                      'move 0 360 0 -20 0 0 0 0 5; ']); % animate

Выравнивание убиквитина и последовательностей SUMO

Существует удивительно разнообразное семейство подобных убиквитину белков, которые отображают значительное структурное подобие убиквитину. Одним из этих белков является SUMO (Маленький подобный Убиквитину Модификатор), маленький белок, вовлеченный в широкий спектр постпоступательных модификаций, таких как транскрипционное регулирование, ядерно-цитозольный транспорт и устойчивость белка. Подобно убиквитинированию ковалентное прикрепление и отсоединение SUMO происходят через каскад ферментативных действий. Несмотря на структурные и операционные общие черты между убиквитином и SUMO, эти два белка отображают вполне ограниченное подобие последовательности, как видно из их глобального выравнивания последовательности.

Получите белок SUMO из PDB или загрузите данные из MAT-файла.

aar = getpdb('lwm2');

load('ubilikedata.mat','sumo')

Выровняйте две первичных последовательности от обоих составных объектов.

[score aln] = nwalign(ubi.Sequence.Sequence, sumo.Sequence.Sequence)

score = -3.3333

aln = 3x82 char array
    'MQ----I-F-VKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG'
    ' :    | : |    |::: ::::    : ::     :::|:   | |: | |: :::  | :: ::: |:|:  |:: :  '
    'TENNDHINLKVAGQDGSVVQFKIKRHTPLSKLMKAYCERQGLSMRQIRFRFDGQPINETDTPAQLEMEDEDTID-VFQ-Q--'

Накладывание структур убиквитина и SUMO

Для того, чтобы лучше ценить структурное подобие между убиквитином и SUMO, выполните 3D суперпозицию этих двух структур. Используя pdbsuperpose функция, мы вычисляем и применяем линейное преобразование (перевод, отражение, ортогональное вращение, и масштабирующийся) таким образом, что атомы одной структуры лучше всего соответствуют атомам другой структуры.

close (h1, h2); % close previous instances of molviewer

pdbsuperpose(ubi, sumo);

h3 = findobj('Tag', 'BioinfoMolviewer'); % retrieve handle for molviewer
evalrasmolscript(h3, ['select all; zoom 200; center selected']);

evalrasmolscript(h3, ['select all; cartoons off; ' ...
                      'select model = 1; strands on; color red; ' ...% ubiquitin
                      'select model = 2; strands on; color blue;']); % SUMO

Путем установки подходящего переключателя в разделе Models окна Molecule Viewer мы можем просмотреть структуру убиквитина (Модель = 1) и структуру SUMO-2 (Модель = 2) отдельно, или мы можем посмотреть на них наложенный (Модель = Все). Когда обе модели активно отображены, структурное подобие между двумя сгибами поразительно.

Сохранение структурного сгиба в отсутствие значительного подобия последовательности могло указать на вхождение конвергентной эволюции для этих двух белков. Однако некоторые механизмы в убиквитинировании и sumoylation имеют аналогии, которые не связаны со сгибом и могли предложить некоторых глубже, возможно, удаленный, отношение. Что еще более важно, то, что спектр функций, выполняемых убиквитином и SUMO-2, так широко распространен, предполагает, что высокая устойчивость и компактность подобного убиквитину суперсгиба могут быть причиной позади своего сохранения.

close all;