Identificación de Subclases funcional en el DJ-1 Superfamily Proteínas
Genómica ha planteado el reto de la determinación de la función de las proteínas de secuencia y / o 3-D estructura. Asignación funcional de la secuencia relaciones pueden ser engañosas, y la semejanza estructural no implica necesariamente una similitud funcional. Proteínas en la DJ-1 familia, muchas de las cuales son de función desconocida, son ejemplos de proteínas con las dos veces la secuencia y la similitud que abarcan múltiples clases funcionales. Temáticas (teórico microscópicas curvas de valoración), un electrostática basada en computacional enfoque funcional para la predicción del sitio, se utiliza para clasificar las proteínas en el DJ-1 familia en diferentes clases funcionales. Active sitio los residuos se prevé para las ocho diferentes DJ-1 con proteínas disponible en 3-D estructuras. La colocación de los residuos previsto en una adaptación estructural para seis de estas proteínas revela tres tipos distintos de sitios activos. Cada tipo se superpone sólo parcialmente con los demás, con sólo un residuo en común a través de los seis conjuntos de residuos previsto. Humanos DJ-1 y de YajL
Biología estructural en el período posterior a la era del genoma se enfrenta al reto de determinación de la función del 3-D estructura, el siguiente paso fundamental hacia la realización de las promesas de la genómica. En el orden de 10 3 estructuras de proteínas en el Protein Data Bank (PDB) son anotado como "hipotético" o de "función desconocida", y este número está aumentando de forma espectacular como la genómica estructural iniciativas depósito un gran número de estructuras en el AP. Funcional anotación es por lo general depende de la similitud de secuencia para identificar las proteínas que se espera que sean similares en su estructura y, por tanto, pueden ser similares a funcionar. Incluso cuando la comparación de secuencias no encuentra estrechamente relacionada con una proteína, la estructural global veces todavía pueden ser similares a uno que ya se conoce. Esas relaciones estructurales, sin embargo, aún no necesariamente identificar una relación funcional. La razón de la discrepancia es que actualmente existe no es la adecuada comprensión de la relación entre la estructura macromolecular y la función para la mayoría de las proteínas. Así, la semejanza estructural en muchos casos ha demostrado ser una mala guía para la función. Muchas proteínas similares y reconocibles pliegues han funciones completamente diferentes, a veces incluso cuando hay suficientes secuencia similar a considerarlos "homóloga". Los mejores ejemplos de este principio son las enzimas que tengan el TIM (isomerasa triosephosphate) barril veces. Los tipos de reacciones catalizadas por proteínas tener presente veces son numerosas y variadas.
Por el contrario, dos proteínas puede tener completamente diferentes pliegues, sino catalizar la misma reacción, con los mismos residuos y configuraciones en el sitio activo. Un buen ejemplo es el conjunto de pyridoxal fosfato dependientes de las transaminasas de veces los tipos I y II. Estas proteínas catalizar la misma reacción, con la activa sitios que son prácticamente idénticos, pero los dos pliegues son completamente diferentes.
Además, los residuos importantes en una enzima activa sitio puede no ser obvio. Muchas reacciones en la biología puede ser caracterizado por los pasos necesarios para lograr cualquier transformación química. El catalizador de las entidades que participan en cada paso, como ácidos o bases, puede inferirse a partir de la conocida química. Los residuos que pueden desempeñar estas funciones están bien definidas, sin embargo, no es tan fácil de determinar que los residuos en particular una determinada proteína son realmente jugar estos papeles. Idealmente, una estructura con sustrato obligado a resolver la cuestión, pero estas estructuras son raramente disponibles para las proteínas de función desconocida. Por lo tanto, otro método es necesario para identificar los residuos que participan en la catálisis y de reconocimiento molecular. En este trabajo se demuestra cómo una herramienta computacional de predicción puede ayudar en la identificación de los residuos funcionalmente importante en las proteínas de función desconocida.
Hemos informado previamente sobre temáticas (teórico microscópicas curvas de valoración), un simple y rápida herramienta computacional para la predicción de catalizador y el reconocimiento en los sitios de proteínas que requiere sólo el 3-D de la estructura de proteínas como la consulta de entrada [1 - 7]. Temática se basa en Poisson-Boltzmann cálculos de la eléctrica potencial de la estructura de proteínas, cálculo de las curvas de valoración teórica (un promedio de cargo en función del pH) para todos los ionizable de los residuos y, a continuación, el análisis estadístico de las curvas de valoración calculada para identificar los que se apartan los más típicos de Henderson-Hasselbalch comportamiento. Las agrupaciones a coordinar el espacio de dos o más residuos desviados con titulación teórica se considera el comportamiento predictivo y, de hecho, predecir los sitios localizados en la interacción con las proteínas de alta recordar (91%) y de alta precisión, medida por el bajo coeficiente de filtración (la fracción de residuos seleccionados ionizable ), De alrededor del 8%. Aquí nos informe sobre cómo estas herramientas de predicción pueden ser usados para ayudar al estudio experimental de proteínas de función desconocida.
En el presente trabajo se centrará en una familia de proteínas estructuralmente similar de importancia biomédica que, al parecer, tienen diferentes funciones bioquímicas, el DJ-1 superfamilia. Humanos DJ-1 es una proteína de función poco clara que, al parecer, desempeña un papel neuroprotector y participa en la respuesta celular al estrés oxidativo [8]. Las mutaciones de DJ-1 se han relacionado con ciertas formas de aparición temprana de la enfermedad de Parkinson, y DJ-1 ha sido independiente, identificado como un ras-dependiente oncogén. Los miembros del DJ-1 superfamilia se han anotado como las proteasas, dada la similitud a una proteasa bacteriana. Sin embargo, los recientes evidencia experimental sugiere que DJ-1 y algunos otros miembros de la familia no son las proteasas. El propósito del presente documento es para ordenar estas proteínas estructuralmente similares en clases funcionales, sobre la base de las predicciones teóricas sitio activo de los residuos espaciales y los arreglos de estos residuos. Se comparan las predicciones temáticas con la evidencia experimental que se encuentra actualmente disponible y sostienen que estas proteínas estructuralmente similar se dividen en al menos tres diferentes clases funcionales.
El poder catalítico de una enzima depende no sólo de la naturaleza de los residuos de catálisis que la ayuda, sino también por su posición en relación con el sustrato. El método que identifica a los residuos en el sitio activo de una estructura, por lo tanto, también sitúa sus posiciones relativas y define el tipo de química que es posible, y potencialmente el sustrato que pueden ser reconocidos. Aquí mostramos que los arreglos en el espacio de los residuos prevé la aplicación de este método de forma estructural de los motivos que se pueden deducir importantes pistas sobre la funcionalidad. Nos ilustran el principio con una serie de proteínas estructuralmente similares con diferentes funciones probable. Nuestras predicciones permitir que la estructuras similares que se clasifican en distintas categorías funcionales.
Una búsqueda [9] de estructuras similares a DJ-1 se realizó, y 11 estructuras con un Dali Z de 15 puntos o superior y un RMSD de 2,3 o menos fueron elegidos. El siguiente más cercano proteínas fueron significativamente más bajos puntajes Z (7,6 o inferior) y superior RMSD (3,0 o mayor). Las estructuras incluidas en el análisis se describe ahora. A diferencia de algunos otros miembros de la DJ-1 superfamilia (PfpI familia), humanos DJ-1 no presenta ninguna actividad significativa la proteasa. Otro miembro de la familia, la YajL (anteriormente etiquetados ThiJ) de proteínas de E. coli, es de función desconocida [10]. I de la proteasa
Dos nuevas estructuras, de catalasa I
Los diferentes tipos de estructuras cuaternario en el DJ-1 familia se ilustra en la Figura 1, cinta que muestra diagramas de las estructuras de dímero de los seis primeros de lo anterior DJ-1 los miembros de la familia, más el licopeno putativo aumentar la biosíntesis de proteínas, con las dos subunidades de color rojo y azul en cada estructura. Por todas las estructuras, el rojo subunidades están orientados de manera que sean superponibles a los demás sin rotación. DJ-1 y YajL forma similar dímero estructuras. Proteasa y me YhbO también son similares entre sí, con interfaces de dímero en una superficie distinta a la de DJ-1/YajL. Por otra parte, YDR533Cp y Hsp31 forma cuaternario estructuras que son diferentes los unos de los otros, con el azul subunidad vinculados a una cara común en la subunidad de color rojo, pero en diferente orientación.
El DJ-1 familia de proteínas ilustran la dificultad de anotación funcional de secuencia [14]. La secuencia de alineaciones para este conjunto de proteínas (que van del 16% -35% identidad) podría inducir a error a uno en la conclusión de que sus funciones son similares. Especialmente la presencia de una cisteína en posiciones similares dentro de cada secuencia se consideró altamente sugerente de la función. Así, originalmente DJ-1 se presume que es una cisteína proteasa, debido a su similitud con la secuencia conocida de la proteasa. Más tarde Bandyopadhyay y Cookson [14] estudiaron 311 secuencia homólogos y se analizaron sus alineaciones y los árboles filogenéticos. Estos autores informan de que este conjunto de secuencias pueden ser clasificados en diferentes subgrupos; proteínas con anotaciones similares aparecen junto al grupo en distintos clados. El subgrupo más cercana a la de humanos DJ-1 es el bacteriana YajL / ThiJ grupo, lo que sugiere que DJ-1 puede haber evolucionado a partir de la síntesis bacteriana tiamina genes que han asumido algunos otros en función eucariotas.
Hemos analizado el DJ-1 utilizando la secuencia Antigüedad Asamblea de Función Anotaciones (JAFA) servidor (
A la alineación estructural de los monómeros de los primeros seis proteínas indica claramente que existen diferencias en los arreglos de residuos que la secuencia de alineación no puede revelar. Los residuos identificados como funcionalmente importante de temáticas son un subconjunto de los residuos estructuralmente alineado. Estos residuos predijo muestran patrones espaciales que permiten las diferentes proteínas que se clasifican en grupos. Tema predicciones, expresada en 3-D constelaciones de residuos potencialmente importante, sugieren fuertemente probable agrupaciones funcionales. El cuadro 2 muestra las agrupaciones temáticas previsto para seis proteínas en el DJ-1 estructurales familia. Estructuralmente se suman los residuos se alinean en las columnas en el cuadro 2. Cuando los residuos conservados de cisteína no está previsto por temáticas, se muestra en el cuadro 2 entre paréntesis.
Tenga en cuenta que un residuo en una posición estructuralmente conservadas se prevé que será importante para los seis proteínas; se trata de un glutamato correspondiente al sitio activo de la proteasa E15 I. El cuadro 2 indica que hay tres diferentes tipos de sitios funcionales para los primeros seis proteínas .
Para I de la proteasa p. horikoshii, temáticas predice un grupo de proteasa en el sitio activo que incluye la tríada catalítica miembros C100, H101, y E74 '; esta tríada es característico de cisteína proteasas. Tenga en cuenta que el principal indica un residuo de otro subunidad. Un sitio similar pero no idéntica a la de la proteasa que se prevé para PfpI / YhbO. Proteasa y PfpI I / YhbO cuaternarios tienen estructuras similares y las interfaces similares. Sus temáticas predijo sitios están ubicados en la interfaz.
Para los humanos DJ-1, Tema encuentra un grupo diferente que consta de E15, E16, E18 y D24 ', situado junto a ellos, pero no coincidiendo con la tríada sitio correspondiente. Los sitios previsto para DJ-1 y YajL son muy similares. El predijo sitios constan de cuatro estructuralmente alineado residuos ácidos. Hay un residuo de diferencia entre las dos predicciones, en que para YajL R27 'es también predijo. Una vez más, el cuaternario estructuras son semejantes entre sí, con interfaces similares.
Para levadura YDR533Cp, predice temáticas E30, D57, H108, H139, y E170, un grupo que se superpone con la tríada sitio correspondiente y contiene también algunas adicionales de residuos que no sean seleccionados para la proteasa, ya sea yo o para DJ-1. H139 está situado en una posición que corresponde al de la His101 catalítico de la proteasa I tríada, mientras que la E30 en predijo YDR533Cp grupo es estructuralmente alineado con E18 humanos de DJ-1. H108 y E170 en la YDR533Cp predijo el grupo no se prevé para DJ-1, o proteasa I, pero los correspondientes residuos se prevé para la chaperona Hsp31. Por YDR533Cp y Hsp31, los sitios se predijo cada figura dentro de un determinado monómero. De hecho, las similitudes en los sitios predijo son evidentes para los monómeros estructuralmente alineado de YDR533Cp y Hsp31, pero estas dos proteínas forman dímeros con diferentes orientaciones entre las subunidades.
La figura 2 muestra un lado de la otra comparación de las previsiones sitio activo residuos en el dímero de estructuras Humanos DJ-1 (Figura 2 A) y YajL (Figura 2 B), la proteasa I (Figura 2 C) y PfpI / YhbO ( Figura 2 D), y YDR533Cp (Figura 2 E) y la chaperona Hsp31 (Figura 2 F), además de la predicción de la estructura del dímero licopeno Aumento de la biosíntesis de proteínas (1VHQ; Figura 2 G) y para la estructura del monómero APC35852 (1U9C, Figura 2 H). Cinta diagramas se muestran con la columna vertebral de la "a" subunidad del dímero en verde y las cadenas laterales de la temática prevista residuos de la "a" cadena en rojo, la columna vertebral de la "b" subunidad se muestra en color amarillo con la cadenas laterales de las temáticas predicciones de la "b" en la cadena azul. Tenga en cuenta las disposiciones similares espacial y la ubicación de los sitios previsto para DJ-1 y YajL. Las predicciones de la proteasa y me PfpI / YhbO también son similares en el arreglo espacial en sus posiciones relativas en las estructuras. YDR533Cp y Hsp31 haber predicho agrupaciones situadas dentro de cada subunidad, eliminado de la interfaz de dímero, a diferencia de los primeros cuatro estructuras. Tenga en cuenta también que la forma en que los monómeros de YDR533Cp y de Hsp31 se unen para formar el dímero es diferente, aunque los monómeros y las previsiones sitios dentro de ellos son similares. Los dos genómica estructural 1VHQ estructuras de proteínas (Figura 2 G) y 1U9C (Figura 2 H) han predicho sitios muy distintos de los de los tres primeros pares de estructuras.
La Figura 3 muestra superposiciones de las temáticas-predijo sitio activo residuos en magenta y verde. Tenga en cuenta las similitudes en los lugares previsto para la Figura 3 A, DJ-1 (magenta) y YajL (verde); Figura 3 B, I proteasa (magenta) y YhbO (verde), y Figura 3 C, YDR533Cp (magenta) y Hsp31 (verde). El amarillo y el rojo se conservan residuos de cisteína residuos que no son temáticas positivos. Se muestran en la imagen con fines de comparación. Esto conserva la cisteína se muestra en la Figura 3 A, YajL (amarillo) y DJ-1 (rojo); Figura 3 B, YhbO (amarillo), figura 3 C, Hsp31 (amarillo) y YDR533Cp (rojo), y Figura 3 D, APC35852 (amarillo) y YDR533Cp (rojo). El conservados de cisteína proteasa en I es una temática de residuos positivos y se muestra en la Figura 3 B en magenta. A pesar de YDR533Cp y Hsp31 cuaternarios tienen diferentes estructuras, sus temáticas-predijo sitios activos son los mismos, salvo que Hsp31 tiene un adicional de residuos de histidina, H74. Superposición de sus monómeros rendimientos casi idéntico sitio activo predicciones para los cinco restantes residuos. Figura 3 D muestra una superposición de las previsiones de residuos APC35852 con los de YDR533Cp.
Si bien el análisis se ilustra en la Figura 3 se proponen tres diferentes clases funcionales de esos seis estructuras con un pliegue, hay probablemente funciones adicionales para este 3-D estructura. Por ejemplo, un dominio de catalasa-1 (AP 1SY7 ID) [21] es estructuralmente alineado con DJ-1; catalasa su sitio activo se encuentra en un dominio diferente y se predijo correctamente por temáticas, y nada se prevé en su DJ-1 dominio , De acuerdo con la información experimental disponible. La genómica estructural de proteínas 1VHQ, anotado como licopeno Aumento de la biosíntesis de proteínas, tiene un sitio predicho que algo se asemeja a la de DJ-1 pero no está claramente coincidente con ninguna de las estructuras estudiadas. La genómica estructural de proteínas APC35852 (AP ID 1U9C) es una proteína monomérica, temáticas y predice el sitio [E27, H96, H127, D154, E156, E157]. Esta predicción es más cercanas a las de YDR533Cp y Hsp31. El E27 es estructuralmente alineado con el glutamato que es común a las temáticas predicciones para las estructuras de todos los seis primeros proteínas, el H127 y H96 son estructuralmente alineado con dos predijo histidines en YDR533Cp (H108 y H139), tal y como se muestra en la Figura 3 D, y en Hsp31 (H155 y H186), mientras que el E156 y E157 son estructuralmente no alineados con ninguna de las previsiones para los residuos de más de seis proteínas.
Se ha demostrado previamente que un grupo relativamente pequeño (de unos cinco a siete miembros) funcionalmente importante de los residuos constituye un 3-D que la firma puede ser usada para identificar las proteínas en una superfamilia [22]. Dado que las diferentes clases funcionales dentro de la superfamilia han ido evolucionando hasta llegar a afectar a diferentes transformaciones químicas y reconocer diferentes moléculas de sustrato, es probable que la lista completa de los residuos que participan en la catálisis y / o en reconocimiento a cada estructura contendrá no sólo la firma de los residuos la superfamilia, sino también los residuos característica particular de la clase funcional dentro de la superfamilia. Tema está diseñado para identificar exactamente los residuos característica que participan en actividad catalítica y en la especificidad por el sustrato [1, 2, 4, 5].
La temática espacial previsto para las agrupaciones seleccionadas miembros de la DJ-1 familia nos permiten clasificar en grupos con similares predijo sitios activos y, por tanto, presumiblemente función similar. En particular, las disposiciones espaciales de la temática prevista para los residuos DJ-1 y YajL son similares y forman uno de esos grupos. Las predicciones para estas dos estructuras son diferentes de un residuo, R27 ', pero este residuo está cerca del umbral de entre positivo (prevista) y negativos (no prevista). La diferencia entre los dos sitios predicho es lo suficientemente pequeño como para indicar una probable función común para las dos estructuras.
Las predicciones de la proteasa y me PfpI / YhbO forma similar, pero no idénticos, los motivos espaciales y puede constituir un probable clase funcional. Aunque el presente análisis sugiere que la proteasa que es el pariente más cercano funcional de YhbO, los dos sitios predijo muestran algunas diferencias, y, por tanto, no se puede concluir que YhbO es una cisteína proteasa. De hecho, Abdallah et al. informó recientemente [23] que YhbO exposiciones ni la proteasa ni chaperón actividad.
Ydr533c y la chaperona Hsp31 forma aún probable una tercera clase funcional. Los sitios previsto para estos dos últimos son las proteínas contenidas en cada subunidad, y la exposición de dos proteínas diferentes estructuras cuaternario. Así, a pesar de la similitud de secuencia, es probable que estos seis proteínas pertenecen a por lo menos tres diferentes clases funcionales.
Tenga en cuenta que los seis proteínas similares primaria, secundaria, terciaria y estructuras, sin embargo, las tres clases funcionales predijo tienen diferentes estructuras y cuaternario predijo funcionales diferentes sitios. Las tres clases funcionales predijo están en consonancia con las posiciones de estas proteínas en el cladograma de Bandyopadhyay y Cookson [14]. El árbol filogenético y el actual método de proporcionar muy diferentes pero complementarios tipos de información. El cladograma indica que las proteínas son los vecinos más cercanos en la historia evolutiva, sobre la base de la secuencia, mientras que el actual método identifica los residuos funcional importante y activa sitio motivos estructurales, sobre la base del 3-D estructura. Para el DJ-1 superfamilia, los dos métodos de apoyo a conclusiones similares acerca de la probable funcional subclases.
Recientemente hemos demostrado [7] temáticas que pueden hacer predicciones sitio correcto para estructuras de modelos comparativos. La cuestión entonces se plantea, ¿puede el método actual se utiliza para describir a los miembros de la superfamilia cuyas estructuras no se conocen? Esto depende de la calidad de las estructuras de modelos y es objeto de una investigación más a fondo.
La fácil identificación de encuadernación y reconocimiento en los sitios de proteínas con un simple cálculo proporciona importantes y el ahorro de tiempo claves en la determinación de una proteína de la función.
Temáticas se realizó un análisis sobre las estructuras de las proteínas de acuerdo a los procedimientos descritos por Ko et al. [1], utilizando un puntaje Z valor de corte de 0,99 en el análisis estadístico y la utilización de una distancia de corte de 9,0 Å para formar los grupos. Alineaciones estructurales se llevaron a cabo utilizando un método de Extensión Combinatoria y el 3-D de proteínas de estructura Comparación y alineación Server (
Damos las gracias a Cheryl Kreinbring de asistencia con las cifras y con los alineamientos estructurales.