В этом примере показано, как отображать, проверять и аннотировать трехмерную структуру молекул. В этом примере выполняется трехмерное наложение структур двух родственных белков.
Убиквитин представляет собой небольшой белок из приблизительно 76 аминокислот, обнаруженный во всех эукариотических клетках и очень хорошо консервативный среди видов. Посредством посттрансляционной модификации различных белков убиквитин участвует во многих разнообразных биологических процессах, включая деградацию белка, оборот белка, репарацию ДНК, регуляцию генов и т.д. Из-за его повсеместного присутствия в клетках и участия во многих фундаментальных процессах убиквитин был в центре обширных исследований на последовательном, структурном и функциональном уровне.
Трехмерную структуру убиквитина можно просмотреть, загрузив файл кристаллической структуры из базы данных PDB и отобразив его с помощью molviewer функция. По умолчанию белковая структура представлена таким образом, что каждый атом представлен шариком, а каждая связь представлена палочкой. Режим визуализации можно изменить, выбрав параметры отображения под рисунком. Можно также поворачивать структуру и управлять ею, перетаскивая белок щелчком мыши или вводя команды Rasmol в консоли сценариев.
В этом примере мы рассмотрим структурные характеристики убиквитина с помощью комбинаций команд Расмола, переданных evalrasmolscript функция. Однако такой же анализ можно выполнить с помощью окна Просмотр молекул (Molecule Viewer). Информация для белка убиквитина представлена в MAT-файле ubilikedata.mat.
load('ubilikedata.mat','ubi')
Кроме того, можно использовать getpdb функция для извлечения информации о белке из репозитория PDB и ее загрузки в MATLAB ®. Следует отметить, что данные в публичных хранилищах часто обрабатываются и обновляются; поэтому результаты этого примера могут несколько отличаться при использовании актуальных наборов данных.
ubi = getpdb('1ubi');
h1 = molviewer(ubi);
evalrasmolscript(h1, 'select all; wireframe 100; background black;');Мы можем посмотреть на складку убиквитина, используя рендеринг «мультфильма», который четко отображает элементы вторичной структуры. Мы ограничиваем наш выбор белком, поскольку мы не заинтересованы в отображении других гетерогенных 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;']);
Складка убиквитина состоит из пяти антипараллельных бета-нитей, одной альфа-спирали, небольшой 3 - 10 спирали и нескольких витков и петель. Складка напоминает небольшую бочку, причем бета-лист образует одну сторону, а альфа-спираль - другую сторону бочки. Нижняя часть закрыта 3-10 спиралью. Мы можем лучше оценить компактную глобулярную складку убиквитина, вращая структуру на 360 градусов и увеличивая масштаб с помощью команды «move».
% 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
Компактность и высокая стабильность убиквитиновой складки связана с пространственным распределением гидрофобных и гидрофильных аминокислот в сложенном состоянии. Мы можем посмотреть на распределение заряженных аминокислот, отбирая положительно и отрицательно заряженные остатки и затем превращая эти атомы в различные цвета (красный и синий соответственно). Мы также можем сделать молекулы воды белыми, чтобы увидеть их связь с заряженными остатками.
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 преимущественно на поверхности, подвергаемой воздействию растворителя, где они взаимодействуют с молекулами воды. В частности, мы замечаем, что распределение заряда неравномерно по бокам ствола убиквитина. Фактически, сторона с альфа-спиралью, по-видимому, более переполнена заряженными аминокислотами, чем сторона, содержащая бета-нити.
Мы можем выполнить аналогичный анализ, глядя на пространственное распределение некоторых гидрофобных аминокислот, таких как аланин, изолейцин, валин, лейцин и метионин. Можно также использовать метку Rasmol «гидрофобный» для выбора всех гидрофобных остатков.
% 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, указанных выше, гидрофобные аминокислоты расположены в основном внутри бочки. Это придает высокую стабильность убиквитиновой складке, поскольку гидрофобные аминокислоты экранируются от растворителя, делая белковую структуру компактной и плотной.
Убиквитин показывает плотную складку с одной альфа-спиралью, пересекающей одну сторону небольшого ствола. Длина этой альфа-спирали представляет некоторую вариацию среди представителей семейства убиквитин-подобных белков. Мы можем определить фактический размер спирали, дважды щелкнув соответствующие атомы или используя команды MATLAB ® и Rasmol 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 residueendHelixRes = 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) ';']);
Процесс убиквитинирования - присоединение молекулы убиквитина к белку-мишени - опосредуется образованием изопептидной связи между C-концевым 4-остаточным хвостом убиквитина и лизином белка-мишени. Если белок-мишень представляет собой другой убиквитин, процесс называется полиубиквитинированием. Полиубиквитиновые цепи, состоящие по меньшей мере из четырех убиквитинов, используют для мечения белков-мишеней для деградации протеасомой. Все семь лизинов в убиквитине могут быть использованы в процессе полиубиквитинирования, что приводит к различным цепям, которые по-разному изменяют белок-мишень. Мы можем посмотреть на пространственное распределение лизинов по складке убиквитина, выбирая и маркируя альфа-атомы 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 связаны вместе через различные лизины. Например, Lys (11) -, Lys (29) - и Lys (48) - связанные полиубиквитины нацелены на белки протеасомы (т.е. на деградацию). Напротив, Лис (6) - и Лис (63) - связанные полиубиквитины связаны с обратимыми модификациями, такими как контроль за оборотом белка.
Кристаллическая структура диубиквитиновой цепи, состоящей из двух частей, представлена в PDB-записи 1aar. Мы можем просматривать и маркировать действительную изопептидную связь между С-концевым хвостом одного убиквитина (помеченного как цепь А) и Lys (48) другого убиквитина (помеченного как цепь В).
Извлеките 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
Существует удивительно разнообразное семейство убиквитин-подобных белков, которые демонстрируют значительное структурное сходство с убиквитином. Одним из этих белков является SUMO (Small Ubiquitin-подобный MODifier), небольшой белок, участвующий в широком спектре посттрансляционных модификаций, таких как регуляция транскрипции, ядерно-цитозольный транспорт и стабильность белка. Подобно убиквитинированию, ковалентное присоединение и отслоение СУМО происходят через каскад ферментативных действий. Несмотря на структурное и операционное сходство между убиквитином и СУМО, эти два белка демонстрируют довольно ограниченное сходство последовательностей, что видно из их глобального выравнивания последовательностей.
Извлеките белок SUMO из PDB или загрузите данные из MAT-файла.
aar = getpdb('lwm2');
load('ubilikedata.mat','sumo')
Выровняйте две первичные последовательности из обоих соединений.
[score aln] = nwalign(ubi.Sequence.Sequence, sumo.Sequence.Sequence)
score = -3.3333
aln = 3x82 char array
'MQ----I-F-VKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG'
' : | : | |::: :::: : :: :::|: | |: | |: ::: | :: ::: |:|: |:: : '
'TENNDHINLKVAGQDGSVVQFKIKRHTPLSKLMKAYCERQGLSMRQIRFRFDGQPINETDTPAQLEMEDEDTID-VFQ-Q--'
Чтобы лучше оценить структурное сходство между убиквитином и СУМО, выполните трехмерное наложение двух структур. Использование pdbsuperpose мы вычисляем и применяем линейное преобразование (перемещение, отражение, ортогональное вращение и масштабирование) так, чтобы атомы одной структуры лучше всего соответствовали атомам другой структуры.
close (h1, h2); % close previous instances of molviewerpdbsuperpose(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
Выбрав соответствующую кнопку опции в разделе Модели (Models) окна Просмотр молекул (Molecular Viewer), мы можем просмотреть структуру убиквитина (Model = 1) и структуру SUMO-2 (Model = 2) отдельно или посмотреть на них наложенными (Model = All). Когда обе модели активно отображаются, структурное сходство между двумя складками бросается в глаза.
Сохранение структурной складки в отсутствие значительного сходства последовательностей может указывать на возникновение конвергентной эволюции для этих двух белков. Тем не менее, некоторые механизмы убиквитинирования и сумоилирования имеют аналогии, которые не связаны друг с другом и могут предполагать некоторые более глубокие, возможно, отдаленные отношения. Что еще более важно, тот факт, что спектр функций, выполняемых убиквитином и SUMO-2, настолько широко распространен, говорит о том, что высокая стабильность и компактность убиквитин-подобного супертяжелого может быть причиной его сохранения.
close all;