Plakat

Aneta Cichańska
Promotor pracy: prof. Dr hab. Andrzej Koliński
Opiekun pracy: dr Krzysztof Ginalski
Przewidywanie struktury i funkcji białek należących do rodziny DUF366
WPROWADZENIE
Białka to wielkocząsteczkowe biopolimery o ogromnym znaczeniu dla organizmów żywych, pełnią
kluczową rolę prawie we wszystkich procesach biochemicznych zachodzących w komórce.
Podstawowym elementem, z którego zbudowane jest każde białko są aminokwasy (w białkach
występuje 20 rodzajów aminokwasów). Białka stanowią 85% wszystkich związków organicznych
występujących w organizmach żywych, a ich właściwości i role są różnorodne. Mogą one pełnić
następujące funkcje: enzymatyczna, transportowa, magazynowa, strukturalna, motoryczna,
regulacyjna, odpornościowa. To jaką funkcję pełni dane białko, determinowane jest bezpośrednio przez
przyjmowaną przez nie strukturę przestrzenną, która jest określona jednoznacznie przez sekwencję
aminokwasów. Aby zminimalizować swoją energię swobodną białko zwija się w określony sposób w
środowisku w określony sposób, dzięki czemu może pełnić określone funkcje.
Stosowane obecnie metody eksperymentalne służące poznaniu struktury przestrzennej białek, takie jak
krystalografia rentgenowska czy NMR są bardzo kosztowne i czasochłonne, dlatego podejmuje się próby
przewidywania struktury i własności białka w oparciu jego sekwencję przy wykorzystaniu metod
bioinformatycznych. Obecnie przewiduje się strukturę stosując jedną z trzech metod: predykcja ab initio
(zwijanie na siatkach lub składanie z mniejszych fragmentów), fold recognition (identyfikacja foldu) i
comparative modeling (modelowanie homologiczne) .
MODELOWANIE
HOMOLOGICZNE
SEKWENCJA BIAŁKA
MODELOWANEGO
WYBÓR STRUKTURY
WZORCA
USTAWIENIE SEKWENCJI
BIAŁKA MODELOWANEGO
WZGLĘDEM WZORCA
BUDOWA MODELU
SPAWDZENIE POPRAWNOŚCI
MODELU
METODY I POSTĘ
POSTĘPOWANIE
Identyfikacja członków rodziny DUF366 przy pomocy narzędzia
PSI-BLAST. W 2 iteracjach zebrano 18 sekwencji. Wybrano
przedstawiciela rodziny DUF366 (gi|15668991) z bakterii Mj
Methanocaldococcus jannaschii.
Poszukiwanie odległych homologów za pomocą metody MetaBASIC. Jest to metoda do rozpoznawania odległych podobieństw
między białkami opata na porównaniu meta-profili. Metoda ta
bierze pod uwagę profile sekwencyjne w połączeniu z przewidzianą
strukturą drugorzędową (meta-profil) poprzez użycie kilku
systemów
oceny
przewidywań
oraz
wielu
algorytmów
generujących ułożenia profili.
Użycie
Metaserwera
bioinfo.pl
do
predykcji
struktury
drugorzędowej oraz rozpoznania foldu. Zebrane przewidywania
zostały przeanalizowane przy pomocy metody konsensusowej 3DJury.
Następnie wybrano białka szablonowe – biotin--[acetyl-CoAcarboxylase] ligase 1wqw, BirA bifunctional protein 2ewn i
Lipoate-protein ligase A 2art (baza PDB) – białka homologiczne
o podobnej strukturze. W bazie publikacji PubMed wyszukano
informacji dotyczących modelowanego białka.
Dopasowano sekwencję białka modelowanego do sekwencji białek
wzorcowych zaznaczając rdzeń białka ( alfa helisy i beta wstęgi)
charakterystyczny dla foldu syntetaz biotyny zdefiniowanego przez
bazę SCOP (Structural Classification of Proteins) oraz regiony
zmienne(głównie pętle).
Przy użyciu programu PCMA wygenerowano multiple sequences
alignment dla białek z rodziny DUF366.
Sequence-to-structure alignment wykonano ręcznie przy użyciu
programu Seaview oraz InsightII, biorąc pod uwagę
przewidywaną
strukturę
drugorzędową
oraz
zachowanie
przypuszczalnie katalitycznych reszt.
MODEL 3D
Bazując na końcowym sequence-to-structure alignment został
zbudowany 3D model białka przy użyciu programu Modeller
używając białek 1wqw, 2ewn oraz 2art jako wzorca.
białka z rodziny DUF366 (gi|15668991) z uwzględnieniem elementów struktury
drugorzędowej (żółte β-wstęgi i niebieskie α-helisy). Miejsce katalityczne
(Lys122) oraz ligand zostały wyróżnione na rysunku w formie ball-and-stick.
PODSUMOWANIE
Celem pracy było wymodelowanie struktury i określenie prawdopodobnej funkcji dla białek z rodziny DUF366.
MULTIPLE SEUQUENCE ALIGNMENT
dla białek z rodziny DUF366 (góra) oraz białek wzorcowych (dół). Sekwencje oznaczone są za pomocą identyfikatora gi (baza NCBI)
lub kodu struktury (baza PDB) oraz nazwy organizmu, w których występują: Ph Pyrococcus horikoshii, Pa Pyrococcus abyssi, Pf
Pyrococcus furiosus, Tk Thermococcus kodakarensis, Ms Methanosphaera stadtmanae, Mt Methanothermobacter
thermautotrophicus, Mm Methanococcus maripaludis, Mj Methanocaldococcus jannaschii, Ma Methanosarcina acetivorans, Mm
Methanosarcina mazei, Mb Methanosarcina barkeri, Mb Methanococcoides burtonii, Nma ncultured methanogenic archaeon, Mk
Methanopyrus kandleri, Dr Desulfotomaculum reducens, Pt Pelotomaculum thermopropionicum, Ch Carboxydothermus
hydrogenoformans, Bb Bdellovibrio bacteriovorus. Numery pierwszej i ostatniej reszty aminokwasowej są zaznaczone przed i po
każdej sekwencji, a całkowita długość sekwencji umieszczona jest w nawiasie na końcu. W okrągłych nawiasach podano liczbę
pominiętych reszt aminokwasowych. Zachowane na poszczególnych pozycjach aminokwasy zaznaczone zostały według
następujących reguł: aminokwasy nienaładowane (żółte tło); aminokwasy naładowane lub polarne (szare tło); aminokwasy małe
(czerwona czcionka). Kluczowe aminokwasy centrum aktywnego zostały wyróżnione białą czcionką na czarnym tle. Lokalizacja
elementów struktury drugorzędowej przewidzianej dla białka modelowanego (przy użyciu serwera PSI-PRED) oraz występujące w
białku wykorzystanym do modelowania (PDB|1wqw) zostały zaznaczone nad sekwencjami (E - β-wstęga; H – α-helisa).
Rodzina białek o nieznanej dotąd funkcji, sklasyfikowana w bazie PfamA jako DUF366, zawiera kilkanaście hipotetycznych białek głównie z bakterii
Pyrococcus i Methanosarcina. Poszukiwanie odległych homologów za pomocą metody (Meta-BASIC) porównywania meta-profili (łączących profil
sekwencyjny z przewidywaną strukturą drugorzędową) pozwoliło na przypisanie rodziny DUF366 do nadrodziny syntetaz biotyny (class II aaRS and biotin
synthetases). Zdefiniowana strukturalnie przez bazę SCOP wyżej wymieniona nadrodzina zawiera białka katalizujące syntezę aktywnej formy biotyny
(biotinyl-5’-AMP), koenzymu niezbędnego do biosyntezy kwasów tłuszczowych i glukoneogenezy.
Białka rodziny DUF366 posiadają typową dla syntetaz biotyny topologię zachowując wszystkie kluczowe elementy struktury drugorządowej
charakterystycznej dla tego foldu. Ponadto analizowane sekwencje białkowe wyróżniają się całkowitym zachowaniem kilku kluczowych aminokwasów
tworzących centrum aktywne: kwasu asparaginowego (Asp), lizyny (Lys) oraz glicyny (Gly). W konsekwencji należy spodziewać się, że białka te pełnią
podobną funkcję w kodujących je organizmach bakteryjnych jak i wykazują podobny mechanizm katalizy.
LITERATURA
[1] Altschul S. F., Madden T. L., Schaffer A. A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D. J., Nucleic Acids Research, 25, 3389-3402 (1997).
[2] A. Bateman, L. Coin, R. Durbin, R. D. Finn, V. Hollich, S. Griffiths-Jones, A. Khanna, M. Marshall, S. Moxon, E. L. Sonnhammer, D. J. Studholme, C. Yeats and S. R. Eddy, Nucleic Acids
Res. 32, D138 (2004).
[3] Ginalski K., Grotthuss M., Grishin N. V., Rychlewski L., Nucleic Acids Research, 32, 576-581 (2004).
[4] K. Ginalski, A. Elofsson, D. Fischer and L. Rychlewski, Bioinformatics 19, 1015 (2003).
[5] Pei J., Sadreyev R., Grishin N. V., Bioinformatics, 12, 19(3):427-8 (2003).
[6]Bagautinov B., Kuroishi C., Sugahara M., Kunishima N., 353, 322-333 (2005)€€€€€€€€€