Изучение методами молекулярной динамики структур белков Nip7 глубоководных и мелководных архей в условиях повышенного давления | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2011. № 4 (16).

Изучение методами молекулярной динамики структур белков Nip7 глубоководных и мелководных архей в условиях повышенного давления

Исследовано влияние высокого давления на структурные характеристики РНК-связывающего белка Nip7 глубоководных и мелководных архей рода Pyrococcus методами моделирования молекулярной динамики и компьютерного анализа. Исследована доступность остатков растворителю и значение среднеквадратичного отклонения С-α атомов (RMSD) при разных значениях давления. Полученные данные свидетельствуют о том, что РНК-связывающий домен белка Nip7 более устойчив к влияниям высокого давления у глубоководного вида. Кроме того, анализ компьютерных моделей белков Nip7 из P. abyssi и P. furiosus показал, что с увеличением давления площадь поверхности белка, доступной растворителю, уменьшается. Для моделей Nip7 P. abyssi эта площадь меньше и ее относительные изменения меньше, чем у Nip7 из P. furiosus.

Molecular dynamics study of high pressure influence on the structure of Nip7 protein from deep-sea and shallow-water archaea.pdf ВведениеДавление - один из важных факторов внешней среды. Большинство живых организмов обитает при атмосферном давлении ~0,1 МПа, а воздействие на них повышенного давления нарушает работу таких систем, как репликация, транскрипция, трансляция и синтез белка, транспорт веществ через мембраны, и приводит к гибели клеток [1]. Однако существуют организмы-пьезофилы, которые способны жить при давлениях в тысячу раз больших атмосферного, например на дне Марианской впадины (~100 МПа). Изучение механизмов адаптации этих организмов к высоким давлениям позволит выявить факторы, обеспечивающие устойчивость живых систем в экстремальных условиях, а их белки могут быть использованы в биотехнологии [2].На молекулярном уровне одним из факторов нарушения работы клетки при воздействии высоких давлений является дестабилизация белков, которые выполняют важнейшие функции. Эксперименты показали, что высокие давления могут нарушать структуру белков и их комплексов. При увеличении давления до 200 МПа происходит распад белковых комплексов. При давлении 500 МПа может наблюдаться частичная денатурация белка, и при 1 ГПа он полностью денатурирует [3]. Предполагают, что ключевым фактором такой дестабилизации является проникновение молекул растворителя внутрь гидрофобного ядра белка [1]. Изучение механизмов устойчивости белков при повышенных давлениях представляет большой интерес. В последнее время при решении этих задач все больше используется компьютерное моделирование динамики белка. Это направление исследований становится все более актуальным, так как молекулярная динамика позволяет проникнуть в суть процессов, происходящих в растворе с биомолекулами, получать распределения термических свойств молекул, анализировать ансамбли конформаций белка. Так, в работе [4] проводилось моделирование молекулярной динамики репрессора Arc при температуре 300 К, на протяжении 500 пикосекунд, в диапазоне давлений от 0,1 до 100 МПа. Результаты показали, что значение среднеквадратичного отклонения RMSD при температуре 300 К и атмосферном давлении оставалось на уровне 0,2 нм на протяжении всего моделирования. При температуре 400 К белок терял свою структуру и наблюдалась денатурация. Увеличение давления до 1000 МПа при нормальной температуре не давало никаких особых изменений в структуре репрессора, при 400К и 1000 МПа не наблюдалась денатурация белка, однако присутствовало увеличение значений RMSD. В работе [5] методом молекулярной динамики исследовалось влияние высокого давления на равновесие между двумя формами белковых структур - миоглобина и нейроглобина. Результаты показали, что основной эффект влияния давления - это снижение подвижности белка без значительных структурных изменений. В настоящей работе было проведено исследование структур белков Nip7 архей рода Pyrococcus из мелководных термальных источников (P. furiosus [6], глубины обитаний до 100 м) и глубоководных, пьезофилов (P. abyssi [7], глубины обитания около 2200 м). Белок Nip7 вовлечен в биогенез рибосом и участвует в процессинге 27S пре-рРНК и в образовании 60S субъединицы рибосом [8]. Атомная модель данного белка содержит два независимых мономера и 252 молекулы воды. Мономеры не содержат структурных различий и формируют димер, который, по мнению авторов, образовался в результате кристаллизации и не имеет биологической значимости. Мономер Nip7 состоит из двух альфа-бета доменов (рис. 1). N-терминальный домен состоит из пяти антипараллельных ƒ-листов, окруженных тремя ƒ-спиралями и одной спиралью 310. РНК-связывающий С-терминальный домен включает аминокислотные остатки с 95-го по 159-й и состоит из ƒ-листов, однойα-спирали и одной короткой спирали 310 [9]. Аминокислоты аргинин и лизин R151, R152, K155, K158 С-терминального домена формируют положительно заряженную область, которая способствует связыванию белка и РНК.Мы сравнили динамику белков Nip7 из двух организмов при различных давлениях между собой, чтобы выявить возможные отличия структурных свойств этих белков. В результате было показано, что деформация структуры Nip7 мелководной археи P. furiosus в целом больше, чем у глубоководной P. abyssi. Структурные деформации РНК-связывающего сайта при высоких давлениях больше у белка из P. furiosus. Анализ компьютерных моделей белков Nip7 из P. abyssi и P. furiosus показал, что с увеличением давления площадь поверхности белка, доступной растворителю, уменьшается. Для моделей Nip7 P. abyssi эта площадь меньше и ее относительные изменения меньше, чем у Nip7 из P. furiosus. Полученные результаты согласуются с гипотезой о важности взаимодействия белка с растворителем при увеличении давления.Рис. 1. Трехмерная структура белка Nip7 P. furiosus. Серым цветом выделены остатки, которые отличаются у белков P. abyssi и P. furiosus, черным - идентичные остатки. Пунктиром выделены домены белка. Изображение структуры получено с помощью программы Accelrys Discovery Studio Visualizer [10]abyssi и P. furiosus. Белки Nip7 были выбраны по следующим причинам. Во-первых, для надаптации организмов к изменению давления среды. Во-вторых, для гомолога P. abyssi известна пространственная структура [9]. В-третьих, длина его полипептидной цепи невелика, составляет 166 аминокислотных остатков, что приемлемо для моделирования. В-четвертых, последовательности Nip7 P. abyssi его гомолога у P. furiosus выравниваются без делеций/вставок, уровень сходства последовательностей составляет около 75%, что позволяет моделировать пространственную структуру гомолога упространственная структура [9]. В-третьих, длина его полипептидной цепи невелика, составляет 166 аминокислотных остатков, что приемлемо для моделирования. В-четвертых, последовательности Nip7 P. abyssi и его гомолога у P. furiosus выравниваются без делеций / вставок, уровень сходства последовательностей составляет около 75%, что позволяет моделировать пространственную структуру гомолога у P. furiosus без реконструкции петель (этапа предсказания структуры белка по гомологии, который вносит существенные ошибки). Трехмерная структура белка Nip7 P. abyssi была взята из банка данных PDB [12], идентификационный номер 2P38. Структура белка Nip7 P. furiosus отсутствует в банке данных PDB, поэтому генерация ее модели производилась с помощью программы SWISS-MODEL [13]. Данная программа осуществляет построение модели белка по гомологии с известной структурой. На вход подавалось выравнивание аминокислотных последовательностей двух рассматриваемых белков без делеций и вставок (рис. 2).Рис. 2. Сравнение последовательностей Nip7 из P. abyssi (P.A - верхняя строкавыравнивания) и P. furiosus (P.F - вторая строка выравнивания). Над выравниванием последовательностей приведена нумерация позиций белка. Под выравниванием приведен тип вторичной структуры аминокислотного остатка согласно разметке DSSP (А - α-спирали, В - β-нити, пробел - прочие типы вторичной структуры)Моделирование молекулярной динамикиДля создания модели белка в окружении молекул раствора использовалась программа WHAT IF [14]. Модель включает 1 568 атомов белка и 50 000 молекул воды.Моделирование молекулярной динамики пространственной структуры белка осуществлялось с помощью пакета программ GROMACS [15] с использованием молекулярного силового поля GROMOS 45А3. Мы моделировали белок при температуре 300 К в кубической ячейке с ребром 6 нм, окруженный молекулами воды и ионами для компенсации заряда, при давлениях 0,1 10, 100, 150 и 200 МПа. Параметры моделирования были установлены, как рекомендовано в работе Коллинза и соавт. [16]. Время моделированияравнялось 300 пикосекундам. Это время соответствует небольшим флуктуациям в структуре белка и является достаточным для того, чтобы программа привела белок в состояние равновесия. Для анализа брались структуры после достижения равновесия в процессе моделирования в системе «белок- растворитель». Равновесие достигалось начиная с 250 пс. Таким образом, в рассмотрение брались структуры с момента моделирования 250 до 300 пс через каждые 5 пс, всего 11 структур. Для сравнения бралась исходная модель в начальный момент времени (0 пс).Анализ результатов моделированияВторичная структура рассчитывалась программой DSSP [17]. Отклонение структур характеризовали среднеквадратичным отклонением координат C-альфа атомов (RMSD). Эта величина измеряется в ангстремах (1A = 10-10м) и вычисляется по следующей формуле:22211RMSD(,)()()()nixixiyiyizizivwvwvwvwn==−+−+−Σгде v, w - структуры белка; i - номер остатка; j - координаты С-альфа атома (j = x, y, z); vij, wij - значения координаты j С-альфа атома остатка i структуры v; n - общее количество остатков. Для полностью совпадающих структур RMSD равно 0; чем больше ее значения - тем выше различия в структурах белков. Все структурные характеристики моделей, такие как значение RMSD и поверхность, доступная растворителю, рассчитывались программами из пакета GROMACS. Для того чтобы определить, какие участки структуры белка подвержены наибольшим изменениям в результате воздействия давления, мы рассчитывали для каждого остатка m локальное отклонение структуры полипептидной цепи RMSDqm:222221RMSD(,)()()()qinqixixiyiyizizqinvwvwvwvwq

Ключевые слова

pezofiles, protein structure, molecular dynamics, high pressure, Pyrococcus, пьезофилы, высокое давление, молекулярная динамика, структура белка, Pyrococcus

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Воробьев Юрий НиколаевичИнститут химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск)доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник лаборатории исследования модификации биополимеровynvorob@niboch.nsc.ru
Афонников Дмитрий АркадьевичИнститут цитологии и генетики СО РАН (г. Новосибирск)кандидат биологических наук, заведующий сектором эволюционной биоинформатики лаборатории теоретической генетикиada@bionet.nsc.ru
Медведев Кирилл ЕвгеньевичИнститут цитологии и генетики СО РАН (г. Новосибирск)старший лаборант-исследователь лаборатории теоретической генетикиkirill-medvedev@yandex.ru
Всего: 3

Ссылки

Kabsch W., Sander C. Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features // Biopolymers. 1983. № 22. Р. 2577-2637.
Van der Spoel D., Lindahl E., Hess B. et al. GROMACS: Fast, Flexible and Free // J. Comp. Chem. 2005. № 26. Р. 1701-1718.
Collins M.D., Hummer G., Quillin M.L., Matthews B.W. and Gruner S.M. Cooperative water filling of a nonpolar protein cavity observed by high-pressure crystallography and simulation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005. № 102. Р. 16668-16671.
Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G. et al. The Protein Data Bank // Nucleic Acids Research. 2000. № 28. Р. 235-242.
Schwede T., Kopp J., Guex N., Peitsch M.C. SWISS-MODEL: An automated protein homology-modeling server // Nucl. Acids Res. 2003. № 31. Р. 3381-3385.
Vriend G. WHAT IF: A molecular modeling and drug design program // J. Mol. Graph. 1990. № 8. P. 52-56.
Gunbin K.V., Afonnikov D.A., Kolchanov N.A. Molecular evolution of the hyperthermophilic archaea of the Pyrococcus genus: analysis of adaptation to different environmental conditions // BMC Genomics. 2009. № 10. Р. 639.
Coltri P., Guimaraes B., Garanto D., Luz J. Structural Insights into the Interaction of the Nip7 PUA Domain with Polyuridine RNA // Biochemistry. 2007. № 46. Р. 14177-14187.
Sali A., Pottertone L., Yuan F. et al. Evaluation of comparative protein modeling by MODELLER // Proteins. 1995. № 23. P. 318-326.
Erauso G., Reysenbach A-L., Godfroy A., Meunier J-R. et al. Pyrococcus abyssi sp. nov., a new hyperthermophilic archaeon isolated from a deep-sea hydrothermal vent // Arch Microbiol. 1993. № 160. P. 338-349.
Bassler J., Grandi P., Gadal O. et al. Identification of a 60S preribosomal particle that is closely linked to nuclear export // Mol. Cell. 2001. № 8. Р. 517-529.
Capece L., Marti M.A., Bidon-Chanal A. et al. High pressure reveals structural determinants for globin hexacoordination: Neuroglobin and myoglobin cases // Proteins. 2009. № 75. Р. 885-894.
Fiala G., Stetter K.O. Pyrococcus furiosus sp. nov. represents a novel genus of marine heterotrophic archaebacteria growing optimally at 100°C // Arch Microbiol. 1986. № 145. Р. 56-61.
Doster W., Petry W., Schober H. High pressure - unfolding of myoglobin studied by dynamic neutron scattering // Chemical Physics. 2003. Р. 383-387.
Trzesniak D., Lins R.D., van Gunsteren W.F. Protein under pressure: molecular dynamics simulation of the arc repressor // Proteins. 2006. № 65. Р. 136-144.
Winter R., Oger P. Origins of life and biochemistry under high-pressure conditions // Chemical Society Reviews. 2006. № 35. P. 858-875.
Bull A.T., Ward A.C., Goodfellow M. Search and Discovery Strategies for Biotechnology: the Paradigm Shift // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2000. № 64. Р. 574-606.
 Изучение методами  молекулярной динамики структур белков Nip7 глубоководных и мелководных  архей в условиях повышенного давления | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2011. № 4 (16).

Изучение методами молекулярной динамики структур белков Nip7 глубоководных и мелководных архей в условиях повышенного давления | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2011. № 4 (16).

Полнотекстовая версия