Завязанный белок
Белки с остовом, запутанным в узел
Вращающийся вид сглаженной цепи связанного белка (PDB ID: 1xd3)

Завязанные белки — это белки, чьи остовы запутываются в узел. Можно представить, как вы тянете белковую цепь за оба конца, как будто тянете веревку за оба конца. Когда завязанный белок «тянется» за оба конца, он не распутывается. Завязанные белки очень редки, составляя всего около одного процента белков в Protein Data Bank , и их механизмы сворачивания и функции недостаточно изучены. Хотя существуют экспериментальные и теоретические исследования, которые намекают на некоторые ответы, систематические ответы на эти вопросы пока не найдены.

Несмотря на то, что разработано множество вычислительных методов для обнаружения белковых узлов, до сих пор не существует полностью автоматических методов обнаружения белковых узлов без необходимого ручного вмешательства из-за отсутствующих остатков или разрывов цепей в рентгеновских структурах или нестандартных форматов PDB.

Большинство узлов, обнаруженных в белках, являются глубокими трилистниками (3 1 ) . Также были обнаружены узлы восьмерка (4 1 ) , узлы с тремя поворотами (5 2 ) , узлы Стивидор (6 1 ) и узел Септойл (7 1 ) [1] . Недавно использование методов машинного обучения для прогнозирования структуры белка привело к высокоточному прогнозированию узла 6 3 . [2] Кроме того, с использованием тех же методов были обнаружены и кристаллизованы составные узлы (а именно 3 1 #3 1 ) [3] . [4]

Четыре типа узлов, идентифицированных в белках: узел 3 1 (вверху слева), узел 4 1 (вверху справа), узел 5 2 (внизу слева) и узел 6 1 (внизу справа). Эти изображения были получены KnotPlot. [5] Обратите внимание, что узел 3 1 на самом деле имеет две различные формы: левостороннюю и правостороннюю. Здесь показан правосторонний узел 3 1 .

Математическая интерпретация

Математически узел определяется как подмножество трехмерного пространства, гомеоморфное окружности. [6] Согласно этому определению, узел должен существовать в замкнутой петле, в то время как завязанные белки вместо этого существуют в открытых, незамкнутых цепях. Чтобы применить математическую теорию узлов к завязанным белкам, можно использовать различные стратегии для создания искусственной замкнутой петли. Одна из таких стратегий заключается в выборе точки в пространстве на бесконечном расстоянии для соединения с N- и C-концами белка через виртуальную связь, таким образом, белок можно рассматривать как замкнутую петлю. Другая такая стратегия заключается в использовании стохастических методов, которые создают случайные замыкания.

(A) Белок представляет собой открытую цепь. (B) Чтобы создать замкнутую петлю, мы выбираем точку на бесконечном расстоянии и соединяем ее с концами N и C, таким образом, вся топологическая структура становится замкнутой петлей.

Глубина узла

Глубина белкового узла связана со способностью белка противостоять распутыванию. Глубокий узел сохраняется, даже если удаление значительного количества остатков с любого конца не разрушает узел. Чем больше остатков можно удалить, не разрушая узел, тем глубже узел.

Формирование узлов

Учитывая, как узлы могут быть получены с помощью нити, сворачивание завязанных белков должно включать в себя сначала образование петли, а затем продевание одного конца через петлю. Это единственный топологический способ, которым может быть образован узел-трилистник. Для более сложных узлов теоретически возможно, чтобы петля обвивалась несколько раз вокруг себя, что означает, что один конец цепи будет обернут вокруг себя по крайней мере один раз, а затем произойдет продевание. Также в теоретическом исследовании было замечено, что узел 6 1 может быть образован путем продевания C-конца через петлю и другой петли, переворачивающейся через первую петлю, а также продеванием C-конца через обе петли, которые ранее переворачивались друг над другом. [7]

Сворачивание узловатых белков можно объяснить взаимодействием зарождающейся цепи с рибосомой. В частности, сродство цепи к поверхности рибосомы может привести к созданию петли, которая затем может быть пронизана зарождающейся цепью. Было показано, что такой механизм является правдоподобным для одного из наиболее глубоко завязанных белков, известных. [8]

Были проведены экспериментальные исследования с участием YibK и YbeA, узловатых белков, содержащих трилистниковые узлы. Было установлено, что эти узловатые белки сворачиваются медленно, и что завязывание узлов при сворачивании является этапом, ограничивающим скорость. [9] В другом экспериментальном исследовании белок длиной 91 остаток был присоединен к концам YibK и YbeA. [10] Присоединение белка к обоим концам дает глубокий узел с примерно 125 удаляемыми остатками на каждом конце, прежде чем узел разрушается. Тем не менее, было замечено, что полученные белки могут сворачиваться спонтанно. Было показано, что прикрепленные белки сворачиваются быстрее, чем сами YibK и YbeA, поэтому во время сворачивания они, как ожидается, будут действовать как пробки на обоих концах YibK и YbeA. Было обнаружено, что присоединение белка к N-концу не изменило скорость сворачивания, но присоединение к C-концу замедлило сворачивание, что предполагает, что событие пронизывания происходит на C-конце. Шапероны, хотя и облегчают связывание белков, не играют решающей роли в самосвязывании белков. [10] [11]

Другие топологически сложные структуры в белках

Возможный узел скольжения в белке. Если конец отрезать от красной линии (1), получится узел-трилистник (2).

Класс узловатых белков содержит только структуры, для которых остов после замыкания образует узловатую петлю. Однако некоторые белки содержат «внутренние узлы», называемые slipknots, т. е. незавязанные структуры, содержащие узловатую субцепь. [12] Другая топологически сложная структура — это связь, образованная ковалентными петлями, замкнутыми дисульфидными мостиками. [13] [14] В белках были идентифицированы три типа связей на основе дисульфидов: две версии связи Хопфа (различающиеся хиральностью) и одна версия связи Соломона . Другая сложная структура, возникающая при замыкании части цепи ковалентным мостиком, — это сложные белки-лассо, для которых ковалентная петля пронизана цепью один или несколько раз. [15] Еще одной сложной структурой, возникающей в результате существования дисульфидных мостиков, являются цистиновые узлы , для которых два дисульфидных мостика образуют замкнутую ковалентную петлю, пронизанную третьей цепью. Термин «узел» в названии мотива вводит в заблуждение, так как мотив не содержит никакого завязанного замкнутого цикла. Более того, формирование цистиновых узлов в целом не отличается от сворачивания незавязанного белка

Помимо закрытия только одной цепи, можно также выполнить процедуру закрытия цепи для всех цепей, присутствующих в кристаллической структуре. В некоторых случаях получаются нетривиально связанные структуры, называемые вероятностными связями. [16]

Можно также рассмотреть петли в белках, образованные частями основной цепи и дисульфидными мостиками и взаимодействием через ионы. Такие петли также могут быть завязаны или образовывать связи даже внутри структур с незавязанной основной цепью. [17] [18]

Первые открытия

Марк Л. Мэнсфилд в 1994 году предположил, что в белках могут быть узлы. [19] Он дал белкам баллы за распутывание, построив сферу с центром в центре масс альфа-углеродов остова, с радиусом, вдвое превышающим расстояние между центром масс и кальфой, которая находится дальше всего от центра масс, и выбрав две случайные точки на поверхности сферы. Он соединил две точки, проведя геодезическую линию на поверхности сферы (дуги больших окружностей), а затем соединил каждый конец белковой цепи с одной из этих точек. Повторение этой процедуры 100 раз и подсчет раз, когда узел разрушается в математическом смысле, дает балл за распутывание. Было установлено, что человеческая карбоангидраза имеет низкий балл за распутывание (22). При визуальном осмотре структуры было видно, что узел был неглубоким, что означает, что удаление нескольких остатков с любого конца разрушает узел.

В 2000 году Уильям Р. Тейлор идентифицировал глубокий узел в ацетогидроксикислотной изомеродуктазе ( PDB ID: 1YVE), используя алгоритм, который сглаживает белковые цепи и делает узлы более заметными. [20] Алгоритм сохраняет оба конца фиксированными и итеративно присваивает координатам каждого остатка среднее значение координат соседних остатков. Необходимо убедиться, что цепи не проходят друг через друга, в противном случае пересечения и, следовательно, узел могут быть разрушены. Если узла нет, алгоритм в конечном итоге создает прямую линию, которая соединяет оба конца.

Исследования о функции узла в белке

Некоторые предложения о функции узлов заключались в том, что они могут повышать термическую и кинетическую стабильность. Одно конкретное предположение заключалось в том, что для человеческой убиквитингидролазы, которая содержит узел 5 2 , наличие узла может препятствовать ее втягиванию в протеасому. [21] Поскольку это деубиквитинирующий фермент, он часто обнаруживается вблизи белков, которые вскоре будут деградированы протеасомой, и поэтому сам подвергается опасности деградации. Следовательно, наличие узла может функционировать как пробка, которая предотвращает это. Это представление было дополнительно проанализировано на других белках, таких как YbeA и YibK, с помощью компьютерного моделирования. [22] Узлы, по-видимому, затягиваются, когда их втягивают в пору, и в зависимости от силы, с которой их втягивают, они либо застревают и блокируют пору, вероятность чего увеличивается с более сильными тянущими силами, либо в случае небольшой тянущей силы они могут распутаться, когда один конец вытягивается из узла. Для более глубоких узлов более вероятно, что пора будет заблокирована, так как слишком много остатков необходимо протянуть через узел. В другом теоретическом исследовании [23] было обнаружено, что смоделированный завязанный белок не был термически стабильным, но был кинетически стабильным. Было также показано, что узел в белках создает места на грани гидрофобных и гидрофильных частей цепи, характерные для активных участков. [24] Это может объяснить, почему более 80% завязанных белков являются ферментами. [25] Другое исследование показывает, что завязанные и завязанные скользящим узлом белки составляют значительное количество мембранных белков. Они составляют одну из самых больших групп вторичных активных транспортеров. [26]

Веб-серверы для экстраполяции узловатых белков

Доступны некоторые локальные программы и ряд веб-серверов , предоставляющие удобные службы запросов для узловых структур и инструменты анализа для обнаружения белковых узлов, в том числе:

  • Topoly [27] — пакет Python для анализа топологии полимеров
  • Knot_pull [28] — пакет Python для сглаживания биополимеров и обнаружения узлов
  • KnotProt 2.0 [18] [25] - База данных белков с узлами и другими запутанными структурами
  • AlphaKnot 2.0 [29] [30] - База данных и сервер для анализа запутанности в структурах, предсказанных методами AlphaFold
  • pKNOT [31] - Веб-сервер для обнаружения узлов в белках

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Сюй, Мин-Фэн; Шрирамоджу, Манодж Кумар; Лай, Чи-Сюань; Чэнь, Юнь-Ру; Хуан, Цзин-Сиу; Ко, Цзы-Пин; Хуан, Кай-Фа; Сюй, Шан-Те Дэнни (январь 2024 г.). «Структура, динамика и стабильность самого маленького и самого сложного 71-го белкового узла». Журнал биологической химии . 300 (1): 105553. doi : 10.1016/j.jbc.2023.105553 . ISSN  0021-9258. PMC 10840475.  PMID 38072060  .
  2. ^ Перлинска, Агата П.; Ниемиска, Ванда Х.; Грен, Бартош А.; Рубах, Павел; Сулковска, Джоанна И. (2022-01-01). «Новый 63-й узел и другие узлы в протеоме человека из предсказаний AlphaFold». стр. 2021.12.30.474018. bioRxiv 10.1101/2021.12.30.474018 . 
  3. ^ Лан, Нгуен, Май; Паулина, Перлинская, Агата; Ида, Сулковска, Джоанна; Смита, Пилла; Эмилия, Стасор; Ивона, Левандовска; Рафаль, Августыняк (2024). «Есть ли двойные узлы в белках? Прогнозирование и проверка in vitro на основе слияния TrmD-Tm1570 из C. nitroreducens». Границы молекулярной биологии . 10 . дои : 10.3389/fmolb.2023.1223830 . ISSN  2296-889X. ПМЦ 11187310 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Бруно да Силва, Фернандо; Левандовска, Ивона; Клюза, Анна; Невецчерзал, Шимон; Августыняк, Рафал; Сулковска, Иоанна И. (14 марта 2023 г.). «Первая кристаллическая структура белка TrmD-Tm1570 с двойным узлом - изнутри с точки зрения деградации»». биоRxiv . дои : 10.1101/2023.03.13.532328. S2CID  257559424.
  5. ^ Роберт, Шэрейн. "KnotPlot: Hypnagogic Software (Version 0.1)". Почти все изображения здесь были созданы с помощью KnotPlot, довольно сложной программы для визуализации и манипулирования математическими узлами в трех и четырех измерениях .
  6. ^ Кромвель, PD (2004). Узлы и связи . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
  7. ^ Bölinger, D.; Sułkowska, JI; Hsu, HP.; Mirny, LA; Kardar, M. (1 апреля 2010 г.). "Белковый узел стивидора". PLOS Comput Biol . 6 (4): e1000731. Bibcode : 2010PLSCB...6E0731B. doi : 10.1371/journal.pcbi.1000731 . PMC 2848546. PMID  20369018 . 
  8. ^ Домбровски-Туманский, Павел; Пейко, Мачей; Невечержаль, Шимон; Стасяк, Анджей; Сулковска, Джоанна И. (2018-10-12). «Завязывание белков путем активного связывания формирующейся полипептидной цепи, выходящей из выходного канала рибосомы». Журнал физической химии B. 122 ( 49): 11616–11625. doi :10.1021/acs.jpcb.8b07634. ​​ISSN  1520-6106. PMID  30198720. S2CID  52176392.
  9. ^ Mallam, AL; Jackson, SE (2012). «Образование узлов в недавно транслированных белках происходит спонтанно и ускоряется шаперонинами». Nat Chem Biol . 8 (2): 147–153. doi :10.1038/nchembio.742. PMID  22179065.
  10. ^ ab Lim, Nicole CH; Jackson, SE (30 января 2015 г.). «Механистическое понимание сворачивания узловатых белков in vitro и in vivo». J. Mol. Biol . 427 (2): 248–258. doi : 10.1016/j.jmb.2014.09.007 . PMID  25234087.
  11. ^ Чжао, Яни; Домбровски-Туманский, Павел; Невечержаль, Шимон; Сулковска, Джоанна И. (2018-03-16). «Эксклюзивные эффекты шаперонина на поведение белков с 52 узлом». PLOS Computational Biology . 14 (3): e1005970. Bibcode : 2018PLSCB..14E5970Z. doi : 10.1371/journal.pcbi.1005970 . ISSN  1553-7358. PMC 5874080. PMID 29547629  . 
  12. ^ Кинг, Нил П.; Йетс, Эрик О.; Йетс, Тодд О. (октябрь 2007 г.). «Идентификация редких узлов-слипнотов в белках и их влияние на стабильность и фолдинг». Журнал молекулярной биологии . 373 (1): 153–166. doi :10.1016/j.jmb.2007.07.042. ISSN  0022-2836. PMID  17764691.
  13. ^ Домбровски-Туманский, Павел; Сулковска, Джоанна И. (2017-03-28). «Топологические узлы и связи в белках». Труды Национальной академии наук . 114 (13): 3415–3420. Bibcode : 2017PNAS..114.3415D. doi : 10.1073/pnas.1615862114 . ISSN  0027-8424. PMC 5380043. PMID 28280100  . 
  14. ^ Boutz, Daniel R.; Cascio, Duilio; Whitelegge, Julian; Perry, L. Jeanne; Yeates, Todd O. (май 2007 г.). «Открытие термофильного белкового комплекса, стабилизированного топологически связанными цепями». Journal of Molecular Biology . 368 (5): 1332–1344. doi :10.1016/j.jmb.2007.02.078. ISSN  0022-2836. PMC 1955483 . PMID  17395198. 
  15. ^ Немышка, Ванда; Домбровский-Туманский, Павел; Кадлоф, Михал; Хаглунд, Эллинор; Сулковский, Петр; Сулковска, Иоанна И. (22 ноября 2016 г.). «Сложный аркан: новые запутанные мотивы в белках». Научные отчеты . 6 (1): 36895. Бибкод : 2016NatSR...636895N. дои : 10.1038/srep36895. ISSN  2045-2322. ПМК 5118788 . ПМИД  27874096. 
  16. ^ Домбровски-Туманский, Павел; Ярмолинска, Александра И.; Ниемыска, Ванда; Роудон, Эрик Дж.; Миллетт, Кеннет К.; Сулковска, Джоанна И. (2016-10-28). "LinkProt: база данных, собирающая информацию о биологических связях". Nucleic Acids Research . 45 (D1): D243–D249. doi :10.1093/nar/gkw976. ISSN  0305-1048. PMC 5210653 . PMID  27794552. 
  17. ^ Лян, Чэнчжи; Мислоу, Курт (ноябрь 1994 г.). «Узлы в белках». Журнал Американского химического общества . 116 (24): 11189–11190. doi :10.1021/ja00103a057. ISSN  0002-7863.
  18. ^ ab Dabrowski-Tumanski, Pawel; Rubach, Pawel; Goundaroulis, Dimos; Dorier, Julien; Sułkowski, Piotr; Millett, Kenneth C.; Rawdon, Eric J.; Stasiak, Andrzej; Sulkowska, Joanna I. (2018). "KnotProt 2.0: база данных белков с узлами и другими запутанными структурами". Nucleic Acids Research . 47 (D1): D367–D375. doi :10.1093/nar/gky1140. PMC 6323932. PMID  30508159 . 
  19. ^ Мэнсфилд, Марк Л. (1994). «Есть ли узлы в белках?». Nat. Struct. Biol . 1 (4): 213–214. doi :10.1038/nsb0494-213. PMID  7656045. S2CID  32625699.
  20. ^ Тейлор, Уильям Р. (2000). «Глубоко завязанная структура белка и как она может складываться». Nature . 406 (6798): 916–919. Bibcode :2000Natur.406..916T. doi :10.1038/35022623. PMID  10972297. S2CID  4420225.
  21. ^ Вирнау, Питер; Мирный, ЛА; Кардар, М. (2006). "Сложные узлы в белках: функция и эволюция". PLOS Comput Biol . 2 (9): e122. Bibcode :2006PLSCB...2..122V. doi : 10.1371/journal.pcbi.0020122 . PMC 1570178 . PMID  16978047. 
  22. ^ Szymczak, P. (2014). «Транслокация узловатых белков через пору». European Physical Journal ST . 223 (9): 1805–1812. Bibcode : 2014EPJST.223.1805S. doi : 10.1140/epjst/e2014-02227-6. S2CID  16379224.
  23. ^ Soler, MA; Nunes, A.; Faisca, PFN (2014). «Эффекты типа узла в складывании топологически сложных решетчатых белков». J. Chem. Phys . 141 (2): 025101. Bibcode : 2014JChPh.141b5101S. doi : 10.1063/1.4886401. PMID  25028045.
  24. ^ Домбровски-Туманский, Павел; Стасяк, Анджей; Сулковска, Джоанна И. (2016-11-02). «В поисках функциональных преимуществ узлов в белках». PLOS ONE . 11 (11): e0165986. Bibcode : 2016PLoSO..1165986D. doi : 10.1371/journal.pone.0165986 . ISSN  1932-6203. PMC 5091781. PMID 27806097  . 
  25. ^ ab Jamroz, M; Niemyska W; Rawdon EJ; Stasiak A; Millett KC; Sułkowski P; Sulkowska JI (2015). "KnotProt: база данных белков с узлами и скользящими узлами". Nucleic Acids Research . 43 (База данных): D306–D314. doi :10.1093/nar/gku1059. PMC 4383900. PMID  25361973 . 
  26. ^ Заяц, Василина; Сикора, Мацей; Перлинская, Агата П.; Стасюлевич, Адам; Грен, Бартош А.; Сулковска, Иоанна И. (2 ноября 2023 г.). «Сохранение узловой и скользящей топологии в трансмембранных транспортерах». Биофизический журнал . 122 (23): 4528–4541. Бибкод : 2023BpJ...122.4528Z. дои : 10.1016/j.bpj.2023.10.031. ISSN  0006-3495. PMC  10719070. PMID  37919904.
  27. ^ Домбровский-Туманский, Павел; Рубах, Павел; Немышка, Ванда; Грен, Бартош Амбрози; Сулковска, Джоанна Ида (16 сентября 2020 г.). «Topoly: пакет Python для анализа топологии полимеров». Брифинги по биоинформатике . 22 (3). дои : 10.1093/нагрудник/bbaa196. ISSN  1467-5463. ПМЦ 8138882 . ПМИД  32935829. 
  28. ^ Jarmolinska, AI; Gambin A; Sulkowska JI (2019). «Knot_pull — пакет Python для сглаживания биополимеров и обнаружения узлов». Биоинформатика . 36 (3): 953–955. doi : 10.1093 /bioinformatics/btz644 . PMC 9883683. PMID  31504154. 
  29. ^ Немышка, Ванда; Рубах, Павел; Грен, Бартош А; Нгуен, Май Лан; Гарстка, Войцех; Бруно да Силва, Фернандо; Родон, Эрик Дж; Сулковска, Иоанна I (24 мая 2022 г.). «AlphaKnot: сервер для анализа запутанности в структурах, предсказанных методами AlphaFold». Исследования нуклеиновых кислот . 50 (П1): Н44–Н50. doi : 10.1093/nar/gkac388. ISSN  0305-1048. ПМЦ 9252816 . ПМИД  35609987. 
  30. ^ Рубах, Павел; Сикора, Мачей; Ярмолинска, Александра И; Перлинска, Агата П; Сулковска, Джоанна И (2024-06-06). "AlphaKnot 2.0: веб-сервер для визуализации узлов белков и база данных узловых моделей, предсказанных AlphaFold". Nucleic Acids Research . doi : 10.1093/nar/gkae443 . ISSN  0305-1048. PMC 11223836 . PMID  38842945. 
  31. ^ Lai, Y.-L.; Yen, S.-C.; Yu, S.-H.; Hwang, J.-K. (7 мая 2007 г.). "pKNOT: веб-сервер белкового KNOT". Nucleic Acids Research . 35 (веб-сервер): W420–W424. doi :10.1093/nar/gkm304. PMC 1933195 . PMID  17526524. 
  • pKNOT
  • Белковые узлы
  • KnotProt — база данных известных структур узлов (скольжения) и сервер для обнаружения узлов
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Узловатый_белок&oldid=1233265910"