Strukturní biologie. Vojtěch Spiwok.

Transkript

1 Strukturní biologie Vojtěch Spiwok

2 Domácí úkol: 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 - VMD - UCSF Chimera - nebo jiný

3 Domácí úkol: 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

4 Prostorové struktury proteinů

5 Prostorové struktury proteinů 4iy0 HEADER METAL TRANSPORT 28 JAN 13 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 ; COMPND 5 SYNONYM: ANCIENT CONSERVED DOMAIN CONTAINING PROTEIN 2, CYCLIN M2; 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 X RAY DIFFRACTION AUTHOR M.A.CORRAL RODRIGUEZ,M.STUIVER,J.A.ENCINAR,V.SPIWOK,I.GOMEZ GARCIA, AUTHOR 2 I.OYENARTE,J.ERENO ORBEA,H.TERASHIMA,A.ACCARDI,T.DIERCKS,D.MULLER, AUTHOR 3 L.A.MARTINEZ CRUZ REVDAT 1 05 MAR 14 4IY0 0 JRNL AUTH M.A.CORRAL RODRIGUEZ,M.STUIVER,J.A.ENCINAR,V.SPIWOK, JRNL AUTH 2 I.GOMEZ GARCIA,I.OYENARTE,J.ERENO ORBEA,H.TERASHIMA, JRNL AUTH 3 A.ACCARDI,T.DIERCKS,D.MULLER,L.A.MARTINEZ CRUZ 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

6 Prostorové struktury proteinů 4iy0 ATOM 1 N LYS A N ATOM 2 CA LYS A C ATOM 3 C LYS A C ATOM 4 O LYS A O ATOM 5 CB LYS A C ATOM 6 CG LYS A C ATOM 7 CD LYS A C ATOM 8 CE LYS A C ATOM 9 NZ LYS A N ATOM 10 N GLU A N ATOM 11 CA GLU A C ATOM 12 C GLU A C ATOM 13 O GLU A O ATOM 14 CB GLU A C... ATOM 1219 CD GLU A C ATOM 1220 OE1 GLU A O ATOM 1221 OE2 GLU A O TER 1222 GLU A 580 HETATM 1223 PB ADP A P HETATM 1224 O1B ADP A O HETATM 1225 O2B ADP A O HETATM 1226 O3B ADP A O HETATM 1227 PA ADP A P HETATM 1228 O1A ADP A O HETATM 1229 O2A ADP A O HETATM 1230 O3A ADP A O HETATM 1231 O5' ADP A O HETATM 1232 C5' ADP A C HETATM 1233 C4' ADP A C HETATM 1234 O4' ADP A O

7 Prostorové struktury proteinů 4iy0 Pymol VMD USCF Chimera

8 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.

9 Homologní modelování Proteiny s podobnou sekvencí mají (obvykle) podobnou prostorovou strukturu. Abl kinasa 1opl p38 kinasa 1w84 insulinový receptor 1irk

10 Homologní modelování Proteiny s podobnou sekvencí mají (obvykle) podobnou prostorovou strukturu. Abl kinasa 1opl >1OPL pdb, chain A/1 537 MGQQPGKVLGDQRRPSLPALHFIKGAGKRDSSRHGGPHCNVFVEHEALQRPVASDFEPQG LSEAARWNSKENLLAGPSENDPNLFVALYDFVASGDNTLSITKGEKLRVLGYNHNGEWCE AQTKNGQGWVPSNYITPVNSLEKHSWYHGPVSRNAAEYLLSSGINGSFLVRESESSPGQR SISLRYEGRVYHYRINTASDGKLYVSSESRFNTLAELVHHHSTVADGLITTLHYPAPKRN KPTVYGVSPNY DKWEMERTDITMKHKLGGGQYGEVYEGVWKKYS LTVAVKTLKE DTM EVEEFLKEAAVMKEIKHPNLVQLLGVCTREPPFYIITEFMTYGNLLDYLRE CNRQEVNAVVLLYMATQISSAMEYLEKKNFIHRNLAARNCLVGENHLVKVADFGLS R LMTGDTYTAHAGAKFPIKWTAPESLAYNKFSIKSDVWAFGVLLWEIATYGMSPYPGID LSQVYELLEKDYRMERPEGCPEKVYELMRACWQWNPSDRPSFAEIHQAFETMFQESSISD EVEKELGKENLYFQ >1IRK pdb, chain A/ insulinový receptor VFPSSVFVPDEWEVSREKITLLRELGQGSFGMVYEGNARDIIKGEAETRVAVKTVNE SASLRERIEFLNEASVMKGFTCHHVVRLLGVVSKGQPTLVVMELMAHGDLKSYLRSLRPE 1irk AENNPGRPPPTLQEMIQMAAEIADGMAYLNAKKFVHRDLAARNCMVAHDFTVKIGDFGMT RDIYETDYYRKGGKGLLPVRWMAPESLKDGVFTTSSDMWSFGVVLWEITSLAEQPYQGLS NEQVLKFVMDGGYLDQPDNCPERVTDLMRMCWQFNPKMRPTFLEIVNLLKDDLHPS FP EVSFFHSEENK YGNLLDYLRE CNRQEVNAVVLLY HGDLKSYLRSLRPEAENNPGRPPPTLQEMIQ

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

12 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 AYVINDSC IACGACKPECPVNIIQGS IYAIDADSCIDCGSCASVCPVGAPNPED * řetězec posledního residua Jméno modelu řetězec prvního residua

13 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

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

15 Modeller Co dál? fúzní protein Templát1 XXXXXXXXXXXXXXXXXX Templát2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX model XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX inzerce Templát1 XXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Templát2 XXXXXX model XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX indukované přizpůsobení Templát1 XXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Templát2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXX model XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXX

16 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/ XXX XX... XXX* >P1;model sequence:model:1 :A:@ :C:::: XXXXXXXXX... XXXX XXXXX/ XXXXXXXXX... XXX*

17 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 modelů

18 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

19 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

20 Identifikace způsobu sbalení Proteiny mohou mít podobnou prostorovou strukturu a nemusí mít (na první pohled) podobnou sekvenci. triosafosfátisomerasa 7TIM Aldolasa 3d0c TIM ARTFFVGGNFKLNGSKQSIKEIVERLNTASIPENVEVVICPPATYLDYSVSLVKKPQVTV aldo MSLDYGEFSKRF STISG TIM GAQNAYLKASGAFTG ENSVDQIKDVGAKWVILGHSERRSY FHEDDKFIADKTKFA aldo INIVPFLEGTREIDWKGLDDNVEFLLQNGIEVIVPNGNTGEFYALTIEEAKQVATRVTEL TIM LGQGVGVILCIGETLEEKKAGKTLDVVERQLNAVLEEVKDWTNVVVAYEPVWAIGTGLAA aldo VNGRATVVAGIGYS VDTAIELGKSAID SGADCVMIHQP VHPYI TIM TPEDAQDIHASIRKFLASKL GDKAASELR ILYGGSANGSNAVTF aldo TDAGAVEYYRNIIEALDAPSIIYFKDAHLSDDVIKELAPLDKLVGIKY AINDIQRVTQ TIM KDKADVDGFLVGGASLKPEFVDIINSRN aldo VMRAVPKSSNVAFICGTAEKWAPFFYHAGAVGFTSGLVNVFPQKSFALLEALEEGNQEKI 12 % identity

21 Identifikace způsobu sbalení Proteiny mohou mít podobnou prostorovou strukturu a nemusí mít (na první pohled) podobnou sekvenci. PHYRE2 Fold Recognition - UCLA-DOE I-TASSER

22 Ab initio, de novo Nativní struktura proteinu má vlastnosti, které jí odlišují od ostatních struktur. FoldIT

23 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)

24 Simulace sbalování proteinu Nativní struktura je minimem volné energie proteinu. VIDEO