Strukturní biologie. Vojtěch Spiwok

Strukturní biologie Vojtěch Spiwok [email protected] http://web.vscht.cz/spiwokv/modelovani/

Domácí úkol: http://web.vscht.cz/~spiwokv/modelovani/instrukce.html Instrukce: Vytvořte obrázek prostorové struktury vylosovaného proteinu tak, aby z něj byla dobře patrná interakce proteinové části s ligandem nebo ligandy (kofaktory, inhibitory atd). Obrázek musí mít bílé pozadí. Pro proteinovou část použijte reprezentaci bez zobrazení jednotlivých atomů (např. ribon, cartoon a podobně). Pro neproteinovou část použijte zobrazení jednotlivých atomů (sticks, ball&sticks, spheres atd, ale ne lines). Pokud je to vhodné, je možné stejným způsobem zobrazit i atomy vybraných aminokyselinových zbytků. V případě vícepodjednotkových proteinů je možné zobrazit pouze jednu podjednotku, zvláště pokud se nejedná o biologický oligomer (např. je jejich interakce důsledkem krystalizace). V obrázku je možné popsat jednotlivé podjednotky, ligandy, rezidua a podobně. Pro tyto popisky použijte písmo Helvetica. Celý obrázek musí být ve formátu tiff, na šířku musí mít 6-8 cm a rozlišení 300 dpi. K obrázku připojte krátký popisek. V něm uveďte jaký software byl použit. Vhodný software: PyMol - www.pymol.org VMD - www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ UCSF Chimera - www.cgl.ucsf.edu/chimera/ nebo jiný

Domácí úkol: http://web.vscht.cz/~spiwokv/modelovani/instrukce.html 1e4v

1ffy

1gal

1ipw

1k22

1n2c

1u70

1upp

1v97

1w4w

1yq2

2fbw

2jhf

2r4f

2vk4

2x91

2xfu

3b7e

3div

3f0t

3g2h

3gzk

3ha1

3hw7

3i9v

3ihj

3jwq

3k4v

3lii

3lxe

3m8r

3maa

3n10

3n8v

3txt

4ake

4ea3  4k5y

4l0d

4l6r

4n6h

4oo9  4or2

8tim

Prostorové struktury proteinů http://ww.pdb.org

Prostorové struktury proteinů http://ww.pdb.org 4iy0 HEADER    METAL TRANSPORT                         28­JAN­13   4IY0               TITLE     STRUCTURAL AND LIGAND BINDING PROPERTIES OF THE BATEMAN DOMAIN OF      TITLE    2 HUMAN MAGNESIUM TRANSPORTERS CNNM2 AND CNNM4                          COMPND    MOL_ID: 1;                                                             COMPND   2 MOLECULE: METAL TRANSPORTER CNNM2;                                    COMPND   3 CHAIN: A;                                                             COMPND   4 FRAGMENT: CBS DOMAIN, UNP RESIDUES 429­584;                           COMPND   5 SYNONYM: ANCIENT CONSERVED DOMAIN­CONTAINING PROTEIN 2, CYCLIN­M2;    COMPND   6 ENGINEERED: YES                                                       SOURCE    MOL_ID: 1;                                                             SOURCE   2 ORGANISM_SCIENTIFIC: HOMO SAPIENS;                                    SOURCE   3 ORGANISM_COMMON: HUMAN;                                               SOURCE   4 ORGANISM_TAXID: 9606;                                                 SOURCE   5 GENE: CNNM2;                                                          SOURCE   6 EXPRESSION_SYSTEM: ESCHERICHIA COLI;                                  SOURCE   7 EXPRESSION_SYSTEM_TAXID: 562;                                         SOURCE   8 EXPRESSION_SYSTEM_STRAIN: BL21;                                       SOURCE   9 EXPRESSION_SYSTEM_VECTOR_TYPE: PLASMID;                               SOURCE  10 EXPRESSION_SYSTEM_PLASMID: PET101D/TOPO                               KEYWDS    CBS, BATEMAN DOMAIN, MAGNESIUM TRANSPORTER, MAGNESIUM SENSOR,          KEYWDS   2 CYTOSOL, METAL TRANSPORT                                              EXPDTA    X­RAY DIFFRACTION                                                      AUTHOR    M.A.CORRAL­RODRIGUEZ,M.STUIVER,J.A.ENCINAR,V.SPIWOK,I.GOMEZ­GARCIA,    AUTHOR   2 I.OYENARTE,J.ERENO­ORBEA,H.TERASHIMA,A.ACCARDI,T.DIERCKS,D.MULLER,    AUTHOR   3 L.A.MARTINEZ­CRUZ                                                     REVDAT   1   05­MAR­14 4IY0    0                                                 JRNL        AUTH   M.A.CORRAL­RODRIGUEZ,M.STUIVER,J.A.ENCINAR,V.SPIWOK,          JRNL        AUTH 2 I.GOMEZ­GARCIA,I.OYENARTE,J.ERENO­ORBEA,H.TERASHIMA,          JRNL        AUTH 3 A.ACCARDI,T.DIERCKS,D.MULLER,L.A.MARTINEZ­CRUZ                JRNL        TITL   STRUCTURAL AND LIGAND BINDING PROPERTIES OF THE BATEMAN       JRNL        TITL 2 DOMAIN OF HUMAN MAGNESIUM TRANSPORTERS CNNM2 AND CNNM4        JRNL        REF    TO BE PUBLISHED                                              

Prostorové struktury proteinů http://ww.pdb.org 4iy0 ATOM      1  N   LYS A 429       8.077  53.835 ­35.514  1.00 53.27           N   ATOM      2  CA  LYS A 429       8.517  54.000 ­34.098  1.00 49.08           C   ATOM      3  C   LYS A 429       8.467  52.688 ­33.305  1.00 50.86           C   ATOM      4  O   LYS A 429       7.475  51.912 ­33.321  1.00 53.92           O   ATOM      5  CB  LYS A 429       7.602  54.970 ­33.376  1.00 42.11           C   ATOM      6  CG  LYS A 429       8.387  56.024 ­32.621  1.00 38.05           C   ATOM      7  CD  LYS A 429       7.420  57.023 ­31.846  1.00 36.98           C   ATOM      8  CE  LYS A 429       6.352  57.598 ­32.869  1.00 36.13           C   ATOM      9  NZ  LYS A 429       5.039  57.990 ­31.976  1.00 40.10           N   ATOM     10  N   GLU A 430       9.559  52.463 ­32.556  1.00 52.53           N   ATOM     11  CA  GLU A 430       9.671  51.252 ­31.726  1.00 52.49           C   ATOM     12  C   GLU A 430       8.510  51.194 ­30.752  1.00 52.19           C   ATOM     13  O   GLU A 430       7.900  50.114 ­30.535  1.00 49.13           O   ATOM     14  CB  GLU A 430      11.060  51.267 ­31.000  1.00 52.63           C   ... ATOM   1219  CD  GLU A 580       2.214  43.829 ­35.098  1.00 78.34           C   ATOM   1220  OE1 GLU A 580       2.630  43.732 ­33.920  1.00 78.71           O   ATOM   1221  OE2 GLU A 580       1.313  43.084 ­35.529  1.00 81.53           O   TER    1222      GLU A 580                                                       HETATM 1223  PB  ADP A 601      17.678  29.642 ­27.909  1.00 36.41           P   HETATM 1224  O1B ADP A 601      17.847  30.324 ­29.192  1.00 43.11           O   HETATM 1225  O2B ADP A 601      18.401  30.375 ­26.754  1.00 44.59           O   HETATM 1226  O3B ADP A 601      18.025  28.203 ­27.758  1.00 35.60           O   HETATM 1227  PA  ADP A 601      15.149  30.924 ­27.443  1.00 35.34           P   HETATM 1228  O1A ADP A 601      14.286  30.548 ­26.263  1.00 33.75           O   HETATM 1229  O2A ADP A 601      15.896  32.187 ­27.543  1.00 34.01           O   HETATM 1230  O3A ADP A 601      16.116  29.651 ­27.621  1.00 33.94           O   HETATM 1231  O5' ADP A 601      14.191  30.825 ­28.734  1.00 31.13           O   HETATM 1232  C5' ADP A 601      14.516  31.318 ­30.070  1.00 34.54           C   HETATM 1233  C4' ADP A 601      13.648  30.514 ­31.070  1.00 34.58           C   HETATM 1234  O4' ADP A 601      14.122  29.125 ­31.120  1.00 33.54           O  

Prostorové struktury proteinů http://ww.pdb.org 4iy0 Pymol http://www.pymol.org

VMD http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/

USCF Chimera https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/

Předpověď prostorových struktur proteinů 1. Homologní modelování Proteiny s podobnou sekvencí mají (obvykle) podobnou prostorovou strukturu. 2. Identifikace způsobu sbalení Proteiny mohou mít podobnou prostorovou strukturu a nemusí mít (na první pohled) podobnou sekvenci. 3. Ab initio, de novo Nativní struktura proteinu má vlastnosti, které jí odlišují od ostatních struktur. 4. Simulace sbalování proteinu Nativní struktura je minimem volné energie proteinu.

Homologní modelování Proteiny s podobnou sekvencí mají (obvykle) podobnou prostorovou strukturu.

Abl kinasa 1opl

p38 kinasa 1w84

insulinový receptor 1irk

Homologní modelování Proteiny s podobnou sekvencí mají (obvykle) podobnou prostorovou strukturu.

Abl kinasa 1opl

>1OPL­pdb, chain A/1­537 MGQQPGKVLGDQRRPSLPALHFIKGAGKRDSSRHGGPHCNVFVEHEALQRPVASDFEPQG LSEAARWNSKENLLAGPSENDPNLFVALYDFVASGDNTLSITKGEKLRVLGYNHNGEWCE AQTKNGQGWVPSNYITPVNSLEKHSWYHGPVSRNAAEYLLSSGINGSFLVRESESSPGQR SISLRYEGRVYHYRINTASDGKLYVSSESRFNTLAELVHHHSTVADGLITTLHYPAPKRN KPTVYGVSPNY­DKWEMERTDITMKHKLGGGQYGEVYEGVWKKYS­­­­­LTVAVKTLKE DTM­­EVEEFLKEAAVMKEIKHPNLVQLLGVCTREPPFYIITEFMTYGNLLDYLRE­­­­ ­­­­CNRQEVNAVVLLYMATQISSAMEYLEKKNFIHRNLAARNCLVGENHLVKVADFGLS R­LMTGDTYTAHAGAKFPIKWTAPESLAYNKFSIKSDVWAFGVLLWEIATYGMSPYPGID LSQVYELLEKDYRMERPEGCPEKVYELMRACWQWNPSDRPSFAEIHQAFETMFQESSISD EVEKELGKENLYFQ

>1IRK­pdb, chain A/978­1283 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ insulinový receptor ­­­VFPSSVFVPDEWEVSREKITLLRELGQGSFGMVYEGNARDIIKGEAETRVAVKTVNE SASLRERIEFLNEASVMKGFTCHHVVRLLGVVSKGQPTLVVMELMAHGDLKSYLRSLRPE 1irk AENNPGRPPPTLQEMIQMAAEIADGMAYLNAKKFVHRDLAARNCMVAHDFTVKIGDFGMT RDIYETDYYRKGGKGLLPVRWMAPESLKDGVFTTSSDMWSFGVVLWEITSLAEQPYQGLS NEQVLKFVMDGGYLDQPDNCPERVTDLMRMCWQFNPKMRPTFLEIVNLLKDDLHPS­­FP EVSFFHSEENK­­­

YGNLLDYLRE­­­­­­­­CNRQEVNAVVLLY HGDLKSYLRSLRPEAENNPGRPPPTLQEMIQ

Homologní modelování Proteiny s podobnou sekvencí mají (obvykle) podobnou prostorovou strukturu. Swiss Model http://swissmodel.expasy.org/ Modeller https://salilab.org/modeller/ Postup: 1. nalezení sekvenčně podobného proteinu (proteinů) se známou prostorovou strukturou (např. BLAST) 2. zarovnání sekvencí (Clustal, NW) 3. vytvoření modelu (modeller) 4. kontrola modelu (Prosa, Verify3D)

Modeller Potřebujeme: 1. zarovnání sekvencí 2. struktury templátů 3. instrukce Zarovnání sekvencí

Jméno souboru templátu číslo prvního residua číslo posledního residua

C; A sample alignment in the PIR format; used in tutorial >P1;5fd1 structureX:5fd1:1    :A:106  :A:ferredoxin:Azotobacter vinelandii: 1.90: 0.19 AFVVTDNCIKCKYTDCVEVCPVDCFYEGPNFLVIHPDECIDCALCEPECPAQAIFSEDEVPEDMQEFIQLNAELA EVWPNITEKKDPLPDAEDWDGVKGKLQHLER* >P1;1fdx sequence:1fdx:1    : :54   : :ferredoxin:Peptococcus aerogenes: 2.00:­1.00 AYVINDSC­­IACGACKPECPVNIIQGS­­IYAIDADSCIDCGSCASVCPVGAPNPED­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­*

řetězec posledního residua Jméno modelu

řetězec prvního residua

Modeller Potřebujeme: 1. zarovnání sekvencí 2. struktury templátů 3. instrukce umístění templátu(ů)

Instrukce

# Homology modeling by the automodel class from modeller import *              # Load standard Modeller classes from modeller.automodel import *    # Load the automodel class log.verbose()    # request verbose output env = environ()  # create a new MODELLER environment to build this model in # directories for input atom files env.io.atom_files_directory = ['.', '../atom_files']

název souboru zarovnání

a = automodel(env,               alnfile  = 'alignment.ali',     # alignment filename               knowns   = '5fd1',              # codes of the templates               sequence = '1fdx')              # code of the target a.starting_model= 1                 # index of the first model a.ending_model  = 1                 # index of the last model                                     # (determines how many models to calculate) a.make()                            # do the actual homology modeling

index posledního modelu

název templátu(ů) název modelu

Modeller Potřebujeme: 1. zarovnání sekvencí 2. struktury templátů 3. instrukce Vlastní spuštění: python model­default.py Vlastní spuštění: mod9.14 model­default.py

Modeller Co dál? fúzní protein Templát1 XXXXXXXXXXXXXXXXXX­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Templát2 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX model    XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX inzerce Templát1 XXXXXXXXXXXXXX­­­­­­XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Templát2 ­­­­­­­­­­­­­­XXXXXX­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ model    XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX indukované přizpůsobení Templát1 XXXXXXXXXXXXXX­­­­­­XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Templát2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX­­­­­­XXXXXXXXXXXXXXX model    XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX­­­­­­XXXXXXXXXXXXXXX

Modeller Co dál? Více řetězců C; A sample alignment in the PIR format; used in tutorial >P1;1XXX structureX:1XXX:1    :A:666  :C:::: XXXXXXXXX . . . XXXXXXXXXXXXX/ XXX­­­­XX . . . XXX* >P1;model sequence:model:1    :A:@    :C:::: XXXXXXXXX . . . XXXX­­­­XXXXX/ XXXXXXXXX . . . XXX*

Modeller Co dál

allhmodel

– přidá vodíky

# Homology modeling by the automodel class from modeller import *              # Load standard Modeller classes from modeller.automodel import *    # Load the automodel class log.verbose()    # request verbose output env = environ()  # create a new MODELLER environment to build this model in # directories for input atom files env.io.atom_files_directory = ['.', '../atom_files']

('5fd1', '1xxx'),

více templátů

a = automodel(env,               alnfile  = 'alignment.ali',     # alignment filename               knowns   = '5fd1',              # codes of the templates               sequence = '1fdx')              # code of the target a.starting_model= 1                 # index of the first model a.ending_model  = 1                 # index of the last model                                     # (determines how many models to calculate) a.make()                            # do the actual homology modeling 50

– 50 modelů

Modeller Co dál? Disulfidové můstky # Homology modeling by the automodel class from modeller import *              # Load standard Modeller classes from modeller.automodel import *    # Load the automodel class # Redefine the special_patches routine to include the additional disulfides # (this routine is empty by default): class MyModel(automodel):     def special_patches(self, aln):         # A disulfide between residues 8 and 45:         self.patch(residue_type='DISU', residues=(self.residues['8'],                                                   self.residues['45'])) log.verbose()    # request verbose output env = environ()  # create a new MODELLER environment to build this model in # directories for input atom files env.io.atom_files_directory = ['.', '../atom_files'] a = MyModel(env,               alnfile  = 'alignment.ali',     # alignment filename               knowns   = '5fd1',              # codes of the templates               sequence = '1fdx')              # code of the target a.starting_model= 1                 # index of the first model a.ending_model  = 1                 # index of the last model                                     # (determines how many models to calculate) a.make()                            # do the actual homology modeling

Modeller Co dál? Vnucení sekundární struktury # Homology modeling by the automodel class from modeller import *              # Load standard Modeller classes from modeller.automodel import *    # Load the automodel class class MyModel(automodel):     def special_restraints(self, aln):         rsr = self.restraints         at = self.atoms         rsr.add(secondary_structure.alpha(self.residue_range('20:', '30:'))) log.verbose()    # request verbose output env = environ()  # create a new MODELLER environment to build this model in # directories for input atom files env.io.atom_files_directory = ['.', '../atom_files'] a = MyModel(env,               alnfile  = 'alignment.ali',     # alignment filename               knowns   = '5fd1',              # codes of the templates               sequence = '1fdx')              # code of the target a.starting_model= 1                 # index of the first model a.ending_model  = 1                 # index of the last model                                     # (determines how many models to calculate) a.make()                            # do the actual homology modeling

Identifikace způsobu sbalení Proteiny mohou mít podobnou prostorovou strukturu a nemusí mít (na první pohled) podobnou sekvenci. triosafosfátisomerasa 7TIM

Aldolasa 3d0c

TIM   ARTFFVGGNFKLNGSKQSIKEIVERLNTASIPENVEVVICPPATYLDYSVSLVKKPQVTV aldo  ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­MSLDYGEFSKRF­­­STISG TIM   GAQNAYLKASGAFTG­­­ENSVDQIKDVGAKWVILGHSERRSY­­FHEDDKFIADKTKFA aldo  INIVPFLEGTREIDWKGLDDNVEFLLQNGIEVIVPNGNTGEFYALTIEEAKQVATRVTEL TIM   LGQGVGVILCIGETLEEKKAGKTLDVVERQLNAVLEEVKDWTNVVVAYEPVWAIGTGLAA aldo  VNGRATVVAGIGYS­­­­­­­­­VDTAIELGKSAID­­­SGADCVMIHQP­­­­­VHPYI TIM   TPEDAQDIHASIRKFLASKL­­­­­­­­­GDKAASELR­­­­­­­ILYGGSANGSNAVTF aldo  TDAGAVEYYRNIIEALDAPSIIYFKDAHLSDDVIKELAPLDKLVGIKY­­AINDIQRVTQ TIM   ­­­­KDKADVDGFLVGGASLKPEFVDIINSRN­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ aldo  VMRAVPKSSNVAFICGTAEKWAPFFYHAGAVGFTSGLVNVFPQKSFALLEALEEGNQEKI

12 % identity

Identifikace způsobu sbalení Proteiny mohou mít podobnou prostorovou strukturu a nemusí mít (na první pohled) podobnou sekvenci. PHYRE2 http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/ Fold Recognition - UCLA-DOE http://www.doe-mbi.ucla.edu/Services/FOLD/ I-TASSER http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/

Ab initio, de novo Nativní struktura proteinu má vlastnosti, které jí odlišují od ostatních struktur. FoldIT http://fold.it

Simulace sbalování proteinu Nativní struktura je minimem volné energie proteinu.

K. Lindorff-Larsen, S. Piana, R.O. Dror, D.E.Shaw: How Fast-Folding Proteins Fold. Science 2011, 334(6055) 517-520.

Simulace sbalování proteinu Nativní struktura je minimem volné energie proteinu.

VIDEO

CASP – Critical Assessment of protein Structure Prediction http://predictioncenter.org/

CASP – Critical Assessment of protein Structure Prediction http://predictioncenter.org/