CC BY
86
2016, Т. 158, кн. 3 С. 327-337
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
ISSN 1815-6169 (Print) ISSN 2500-218X (Online)
УДК 577.322.7
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ БЕЛКА SaHPF Staphylococcus aureus
Р.Х. Аюпов, Н.И. Акберова
Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия
Аннотация
SaHPF (Staphylococcus aureus hibernation promoting factor) - белок инактивации рибосомы бактерии стафилококка золотистого. Структура белка, представленная двумя доменами и петлей между ними, была предсказана с помощью биоинформатических методов. Проведенное сравнение первичной последовательности белка SaHPF с последовательностями известных структур, определенных экспериментальными методами, выявило гомологию только для первого домена, хотя при сравнении с базой первичных последовательностей белков обнаруживается частичная гомология с другими белками на протяжении всей последовательности SaHPF. Раздельный поиск гомологии для каждого домена по отдельности выявил 10 гомологичных белков для первого домена и три гомолога для второго домена, при этом ни одна из этих гомологичных структур не имеет петли в своем составе. Сравнение пространственных структур этих гомологов с обоими доменами SaHPF показало, что гомологичные структуры и для первого, и для второго домена достаточно точно накладываются друг на друга. По крайней мере пять из выявленных гомологичных SaHPF белков структурно связаны с рибосомой, что является косвенным свидетельством качества предсказания доменной структуры SaHPF и достаточным обоснованием для моделирования его поведения. Анализ траекторий равновесной молекулярной динамики предсказанной структуры белка SaHPF методами главных компонент и нормальных мод выявил характерную коллективную подвижность аминокислотных остатков петель в областях между р-слоями в первом и втором доменах, а также в петле между доменами, что может быть функционально важным при взаимодействии белка SaHPF с рибосомой.
Ключевые слова: SaHPF, предсказание структуры белка, гомология последовательностей, гомология структур, молекулярная динамика
Введение
Staphylococcus aureus - грамположительная бактерия, являющаяся причиной множества заболеваний (пневмония, менингит, эндокардит и др.), в том числе нозокомиальных инфекций [1, 2]. Для подавления жизнедеятельности стафилококков применяют лекарственные соединения, механизмом действия большинства из которых является подавление транслирующей активности рибосом. SaHPF - Staphylococcus aureus hibernation promoting factor - белок инактивации рибосомы стафилококка золотистого. Предположительно, белок взаимодействует с 30S-субъединицей рибосомы. При взаимодействии с этим белком 30S-субъединица рибосомы меняет свою конформацию и становится способной взаимодействовать с 30S-субъединицей другой рибосомы с образованием
связи [3]. Результатом является димерная частица с константой седиментации 100S, и в такой форме рибосома теряет свою транслирующую активность [4].
Предсказанные с помощью биоинформатических программ [5-7] модели белка SaHPF состоят из двух доменов и петли, которая соединяет их между собой [8]. Во всех предсказанных моделях существенные отличия заключались в положении петли и, как следствие этого, в положении доменов относительно друг друга. Поиск гомологичных SaHPF последовательностей и структур и их сравнительный анализ позволят определить адекватность предсказанной модели SaHPF и выявить функционально важные участки для его взаимодействия с рибосомой. Наиболее часто используемым инструментом для поиска гомологичных белков является пакет программ Blast [9]. В этом пакете возможен поиск по разным базам данных: по базе разрешенных белковых структур - PDB (Protein Data Bank), по базам существующих аннотированных и неаннотированных последовательностей и др. Для сравнения последовательностей используются программы множественного выравнивания. В зависимости от задачи и объема данных используют программы, рассчитанные как для анализа и обработки большого количества информации, например Mega [10], так и для сравнений нескольких последовательностей на онлайн-серверах, выполняющих задачи в течение короткого времени, например Clustal [11]. Для понимания функционирования структуры молекулы белка в растворе проводятся расчеты его пространственной структуры методом молекулярной динамики [12, 13], что позволяет увидеть особенности его строения и поведения в условиях, приближенных к физиологическим. Очень часто расчеты методом молекулярной динамики производят с использованием программы NAMD [14], при физико-химическом описании молекул используют силовые поля Charmm [15] или Amber [16]. Для визуализационного анализа разрешенных структур и траекторий молекулярной динамики используют программы VMD [17] и Chimera [18]. Сравнительный структурный анализ позволит предсказать положение белка в комплексе с рибосомой, оценить качество предсказания структур биоинформатическими программами, а также выявить возможные проблемы при разрешении структуры белка методом ЯМР, который интенсивно используется в исследованиях небольших биологических молекул [19].
Цель настоящей работы - оценить качество биоинформатически предсказанной структуры белка SaHPF в сравнении со структурами белков, взаимодействующими с рибосомой, и вероятность его положения в комплексе с рибосомой.
Материалы и методы исследования
Поиск гомологии по последовательности проводили с помощью программы BLAST со следующими параметрами: database: pdb; algorithm: psi-blast.
Множественное выравнивание проводили в программе Clustal Omega, использовали параметры по умолчанию.
Для проведения расчетов с помощью метода молекулярной динамики использовали программу NAMD 2.8, структура белка была описана с помощью силового поля Charmm 36. Подготовка расчетных файлов проводилась в программе VMD и с помощью дополнительных скриптов. Структура молекулы была помещена в ячейку с водой и ионами NaCl для нейтрализации заряда системы. Размеры ячейки составили 68 х 84 х 80 Á. На первом этапе энергия системы
была минимизирована в течение 40 тыс. шагов. На следующем этапе комплекс нагревали до 300 К. Далее система была поставлена на эквилибрацию кинетической и потенциальной энергий в течение 200 тыс. шагов. После завершения подготовительного этапа была проведена равновесная молекулярная динамика подготовленной системы длительностью 100 нс (100 млн шагов) при 300 К. Анализ траектории молекулярной динамики и характеристика подвижности доменов белка проводились с помощью программы VMD и статистического пакета bio3D в среде R.
Результаты и их обсуждение
При поиске структур с последовательностями, гомологичными белку SaHPF, были получены определенные с помощью методов ЯМР и РСА структуры, в которых значимая гомология обнаруживалась только для первого домена (для 100 первых аминокислотных остатков из 190), гомологичные участки для второго домена и петли выявлены не были. Поэтому последовательность была поделена на две части (первый домен и второй домен, включая петлю), и для каждой по отдельности искали гомологичные структуры. Значимая гомология для первого домена обнаружилась для 10 структур: 2RQL(A) [20], 3V26(X) [3], 3V2C(Y) [3], 1N3G(A) [21], 1VOQ(A) [22], 4HEI(A) [23], 1L4S(A) [24], 2YWQ(A) [25], 1IMU(A) [26], 3TQM(A) [27]. Структуры 3V26, 3V2C и 1VOQ получены в комплексе с рибосомами методом РСА. Структура белка YfiA была получена не только в комплексе с рибосомой (3V2C). С помощью метода ЯМР была определена структура не связанного с рибосомой белка YfiA в растворе, последняя содержится в банке белковых структур (Protein Data Bank) под идентификационными номерами 1N3G и 1L4S. Нужно отметить, что последовательность аминокислотных остатков этого белка в структурах 3V2C, 1N3G и 1L4S одинакова. Поиск по гомологии для второго домена, включая петлю, дал три структуры: 3K2T, 3LYV, 3KA5, разрешенные методом РСА. В 3K2T представлена структура белка Lmo2511 [28], для которого известно только то, что он важен для метаболизма клетки; 3LYV - структура белка RAF (ribosome-associated factor) [29], белок представлен шестью моделями; 3KA5 -структура белка Ribosome -associated Protein Y (Psrp-1) [30], белок представлен двумя моделями. Разнообразие моделей в разрешенных структурах свидетельствует о подвижности второго домена. Подобное же разнообразие наблюдается и для гомологичных структур первого домена в петлях С-конца.
Таким образом, почти для всех белков, найденных по гомологии с доменами SaHPF, имеются прямые экспериментальные свидетельства о взаимодействии с рибосомой.
Структура белка SaHPF экспериментально не разрешена, поэтому были использованы биоинформатические методы предсказания его структуры. Наилучшая предсказанная модель белка SaHPF была построена с помощью программы Robetta [8]. При построении данной модели использовались структурные данные белков 1IMU и 3LYV. Для обоих белков было проведено выравнивание структур с доменами SaHPF в программе Clustal Omega. Парное выравнивание выявило высокую гомологию последовательностей с доменами SaHPF (рис. 1), при этом для первого домена SaHPF выявлена гомология с 1IMU, для второго домена - с 3LYV.
I
ЗаНРР
ими
М1В.РЕШСШЬТ 1ТОА1ЮТ1ЕЕК15КЬЕР.УГНОУРИАУАНУЮ/КТУдЫЗАТК1ЕУТIРЪ -МТЬШ Т 5 КдМЮ IТ РА1ЕЕНЬ ЕЕ ЕХАКЬСЖИОТ еЫЗРНГУЬН-К¥РЫ5?5УЕЙ.516ТРЪ
ЗаНРР
ими
КШГТ Ь РАЕ ЕР.Ы"ПБЬУАС1БЫЫЫКЪЕ?.дУЕКУКТЕ1ЫНК5 — С—ЫЫАЗ АТ 5 ОБМ У КА INEVEEELEP.QLNKLQHK.SES РРАБЕ ЕЬКЕ'ЗГЕН
II
5аНРЕ ЗLYV
IЕ11ИЭКЕЕЗЬКРМЮЭЕЕАУЕдМНЬЬСНБЕГ^ ЕТБРЕБIVУРККОСКУЙЕ10|ГЭЕд Х0 УУР.Т KNVTL КРХ Б'^ЕЕЙИБдХЕ ЬЬСНБЕЕIУТБЗ Е БвАТЫ! LYRB.EDGNLGLIEAK.LE
Рис. 1. Выравнивание доменов белка 8аНРР с последовательностями белков ИМИ и 3LYV: I - для первого домена, II - для второго домена
Рис. 2. Наложение предсказанного белка 8аНРБ на гомологичные структуры белков: I -для первого домена, II - для второго домена. Разными цветами выделены разные белки
При построении пространственной модели первого домена не возникло сложностей, так как уже есть большое количество разрешенных структур с достаточно высокой степенью сходства. В то время как в построении второго домена с петлей имелись сложности: в приведенной структуре 3LYV имеется шесть различных моделей второго домена, кроме того, полностью отсутствуют модели для петли. При предсказании структуры 8аНРБ были получены модели, отличие между которыми заключалось в пространственном положении двух доменов между собой, благодаря петле между ними они могли принимать различные конформации. При этом второй домен, включая петлю, всегда был недостаточно структурирован, это, возможно, является особенностью белка
Сравнение пространственных структур белков показало, что гомологичные структуры и для первого, и для второго домена достаточно точно накладываются друг на друга (рис. 2).
8аНРБ.
Рис. 3. Графики RMSD (а) и RMSF (б) белка SaHPF; 1 1 выделены наиболее подвижные участки полипептидной цепи
Модель структуры белка SaHPF, построенная с помощью программы Robetta, была использована для анализа подвижности доменов методом равновесной молекулярной динамики. RMSD (среднеквадратичное отклонение атомов от их положения в начальной структуре) траектории 100-наносекундной симуляции молекулярной динамики белка SaHPF показывает, что атомы в белке достаточно подвижны. Для траекторий равновесной молекулярной динамики были рассчитаны атомные флуктуации RMSF для аминокислотных остатков (отклонение координат атомов от средней величины). Среднее значение RMSF для первого домена равно 1.82 Â, для петли - 2.74 Â, для второго домена - 2.26 Â. Оценка флуктуации атомов свидетельствует, что основной вклад в подвижность белка вносят аминокислотные остатки петли и второго домена (рис. 3). Вероятно, что существующие проблемы по определению структуры белка SaHPF экспериментальными методами можно объяснить особой подвижностью петли и второго домена.
Поскольку структура рибосомы S. aureus на сегодняшний день не определена, для предположения положения белка SaHPF в комплексе с рибосомой были использованы две структуры рибосомы Thermus thermophilus, содержащей схожие по функциям белки: 4V8H (3V26) и 4V8G [3]. Первая структура содержит белок HPF, который гомологичен первому домену белка, вторая структура - белок RMF, который предположительно выполняет функцию, сходную с функцией второго домена, но при этом не гомологичен ему по последовательности. Белки HPF и RMF связаны с 30S-субъединицей рибосомы, расстояние между ними составляет примерно 40 Â. Расстояние между первым и вторым доменом в структуре белка SaHPF не превышает 25 Â, но поскольку анализ различных моделей структуры SaHPF показал существенную подвижность петли между доменами, вполне вероятно такое положение доменов, когда расстояние между ними будет таким же, как и между HPF и RMF при их взаимодействии с рибосомой (рис. 4).
При сравнении положений белков HPF и RMF в комплексе с рибосомой из работы [3] и структуры белка SaHPF можно с большой вероятностью предположить, что первый домен белка SaHPF займет позицию в структуре рибосомы такую же, как и HPF, а именно будет взаимодействовать с сайтами связывания тРНК и белков IF1 и IF3; второй домен может занять позицию, характерную для RMF, то есть взаимодействовать с белками S2, S7, S11 и S18 30S-субъединицы.
Рис. 4. Визуализация структур белков: слева - предсказанная модель белка SaHPF с указанием расстояния между доменами; справа - модели белков HPF и RMF в структуре рибосомы [3] с указанием расстояния между ними
В расстояние между этими двумя участками в рибосоме Т. 1кегторкИш, которые занимают белки HPF и RMF, укладывается петля на С-конце белка YfiA, структурно схожего с HPF. Таким образом, белок SaHPF благодаря выявленным структурным свойствам его доменов и петли может взаимодействовать со всеми вышеперечисленными сайтами в структуре стафилококковой рибосомы.
Заключение
Модель структуры стафилококкового белка SaHPF, предсказанная с помощью биоинформатических подходов, достаточно хорошо накладывается на существующие разрешенные экспериментальными методами белки, взаимодействующие с рибосомой. Анализ траекторий равновесной молекулярной динамики белка SaHPF позволил выявить особенности флуктуаций атомов в его структуре и движении его частей и продемонстрировал большую подвижность петли и второго домена. Сравнение структуры белка SaHPF с положениями белков HPF и RMF в комплексе с рибосомой Т. 1кегторкНш позволяет предсказать возможные сайты его взаимодействия со стафилококковой рибосомой.
Благодарности. Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Работа поддержана РФФИ (проект № 16-34-60001_мол_а_дк).
Литература
1. Melzer M., Welch C. Thirty-day mortality in UK patients with community-onset and hospital-acquired meticillin-susceptible Staphylococcus aureus bacteraemia // J. Hosp. Infect. - 2013. - V. 84, No 2. - P. 143-150. - doi: 10.1016/j.jhin.2012.12.013.
2. Miller L.G., Eells S.J., Taylor A.R., DavidM.Z., Ortiz N., Zychowski D., Kumar N., Cruz D., Boyle-Vavra S., Daum R.S. Staphylococcus aureus colonization among household contacts of patients with skin infections: risk factors, strain discordance, and complex ecology // Clin. Infect. Dis. - 2012. - V. 54, No 11. - P. 1523-1535. - doi: 10.1093/cid/cis213.
3. Polikanov Y.S., Blaha G.M., Steitz T.A. How hibernation factors RMF, HPF, and YfiA turn off protein synthesis // Science. - 2012. - V. 336, No 6083. - P. 915-918. - doi: 10.1126/science. 1218538.
4. Ueta M., Wada Ch., Wada A. Formation of 100S ribosomes in Staphylococcus aureus by the hibernation promoting factor homolog SaHPF // Genes Cells. - 2010. - V. 15, No 1. - P. 43-58. - doi: 10.1111/j.1365-2443.2009.01364.x.
5. Yang J., Yan R., Roy A., Xu D., Poisson J., Zhang Y. The I-TASSER Suite: protein structure and function prediction // Nat. Methods. - 2015. - V. 12, No 1. - P. 7-8. - doi: 10.1038/nmeth.3213.
6. Raman S., Vernon R., Thompson J., Tyka M., Sadreyev R., Pei J., Kim D., Kellogg E., DiMaio F., Lange O., Kinch L., Sheffler W., Kim B-H., Das R., Grishin N.V., Baker D. Structure prediction for CASP8 with all-atom refinement using Rosetta // Proteins. -2009. - V. 77, No 9. - P. 89-99. - doi: 10.1002/prot.22540.
7. Xu D., Zhang Y. Ab initio protein structure assembly using continuous structure fragments and optimized knowledge-based force field // Proteins. - 2012. - V. 80, No 7. -P. 1715-1735. - doi: 10.1002/prot.24065.
8. Ayupov R.K., Akberova N.I. Prediction of the three-dimensional structure of the protein SaHPF and analysis of its molecular dynamics // Int. J. Pharmacy Technol. - 2016. -V. 8, No 2. - P. 14548-14557.
9. Blast: Basic Local Alignment Search Tool. - URL: http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi.
10. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Filipski A., Kumar S. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 6.0 // Mol. Biol. Evol. - 2013. - V. 30, No 12. -P. 2725-2729. - doi: 10.1093/molbev/mst197.
11. Clustal Omega. - URL: http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo.
12. Ayupov R.K., Akberova N.I. Molecular dynamics of the pyridoxine derivative in the acetylcholinesterase active cavity // Res. J. Pharm. Biol. Chem. Sci. - 2015. - V. 6, No 6. -P. 1717-1722.
13. Ayupov R.K., Akberova N.I. The ligand behavior on the surface of acetylcholinesterase // Res. J. Pharm. Biol. Chem. Sci. - 2015. - V. 6, No 4. - P. 2202-2206.
14. Phillips J.C., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot Ch., Skeel R.D., Kale L., Schulten K. Scalable molecular dynamics with NAMD // J. Comput. Chem. - 2005. - V. 26, No 16. - P. 1781-1802.
15. Salomon-Ferrer R., Case D.A., Walker R.C. An overview of the Amber biomolecular simulation package // WIREs Comput. Mol. Sci. - 2013. - V. 3, No 2. - P. 198-210. -doi: 10.1002/wcms.1121.
16. Best R.B., Zhu X., Shim J., Lopes P.E.M., Mittal J., Feig M., MacKerell A.D. Jr. Optimization of the additive CHARMM all-atom protein force field targeting improved sampling of the backbone phi, psi and side-chain chi1 and chi2 dihedral angles // J. Chem. Theory Comput. - 2012. - V. 8, No 9. - P. 3257-3273. - doi: 10.1021/ct300400x.
17. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics // J. Mol. Graphics. -1996. - V. 14, No 1. - P. 33-38. - doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5.
18. Pettersen E.F., Goddard T.D., Huang C.C., Couch G.S., Greenblatt D.M., Meng E.C., Ferrin T.E. UCSF Chimera - a visualization system for exploratory research and analysis // J. Comput. Chem. - 2004. - V. 25, No 13. - P. 1605-1612.
19. Usachev K.S., Efimov S.V., Kolosova O.A., Filippov A.V., Klochkov V.V. High-resolution NMR structure of the antimicrobial peptide protegrin-2 in the presence of DPC micelles // J. Biomol. NMR. - 2015. - V. 61, No 3-4. - P. 227-234. - doi: 10.1007/s10858-014-9885-4.
20. Sato A., Watanabe T., Maki Y., Ueta M., Yoshida H., Ito Y., Wada A., Mishima M. Solution structure of the E. coli ribosome hibernation promoting factor HPF: Implications for the relationship between structure and function // Biochem. Biophys. Res. Commun. -2009. - V. 389, No 4. - P. 580-585. - doi: 10.1016/j.bbrc.2009.09.022.
21. Rak A., Kalinin A., Shcherbakov D., Bayer P. Solution structure of the ribosome-associated cold shock response protein Yfia of Escherichia coli // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 2002. - V. 299, No 5. - P. 710-714.
22. Vila-Sanjurjo A., Schuwirth B.S., Hau C. W., Cate J.H. Structural basis for the control of translation initiation during stress // Nat. Struct. Mol. Biol. - 2004. - V. 11, No 11. -P. 1054-1059.
23. De Bari H., Berry E.A. Structure of Vibrio cholerae ribosome hibernation promoting factor // Acta Crystallogr. Sect. F: Struct. Biol. Cryst. Commun. - 2013. - V. 69, Pt. 3. -P. 228-236. - doi: 10.1107/S1744309113000961.
24. Ye K., Serganov A., Hu W., Garber M., Patel D.J. Ribosome-associated factor Y adopts a fold resembling a double-stranded RNA binding domain scaffold // Eur. J. Biochem. -2002. - V. 269, No 21. - P. 5182-5191.
25. Kawazoe M., Takemoto C., Kaminishi T., Tatsuguchi A., Saito Y., Shirouzu M., Yokoyama S. Crystal structure of Thermus thermophilus protein Y N-terminal domain. - 2007. - URL: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=2YWQ. - doi: 10.2210/pdb2ywq/pdb.
26. Parsons L., Eisenstein E., Orban J. Solution structure of HI0257, a bacterial ribosome binding protein // Biochemistry. - 2001. - V. 40, No 37. - P. 10979-10986.
27. Franklin M.C., Cheung J., Rudolph M.J., Burshteyn F., Cassidy M., Gary E., Hillerich B., Yao Z.K., Carlier P.R., Totrov M., Love J.D. Structural genomics for drug design against the pathogen Coxiella burnetii // Proteins. - 2015. - V. 83, No 12. - P. 2124-2136. - doi: 10.1002/prot.24841.
28. Seetharaman J., Su M., Wang D., Janjua H., Cunningham K., Owens L., Xiao R., Liu J., Baran M.C., Acton T.B., Rost B., Montelione G.T., Hunt J.F., Tong L. Crystal structure of Lmo2511 protein from Listeria monocytogenes, northeast structural genomics consortium target LkR84A. - 2009. - URL: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=3K2T. -doi: 10.2210/pdb3k2t/pdb.
29. Seetharaman J., Neely H., Forouhar F., Wang D., Janjua H., Cunningham K., Owens L., Xiao R., Liu J., Baran M.C., Acton T.B., Montelione G.T., Hunt J.F., Tong L. Crystal structure of a domain of ribosome-associated factor Y from streptococcus pyogenes serotype M6. Northeast Structural Genomics Consortium target id DR64A. - 2010. - URL: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=3LYV. - doi: 10.2210/pdb3lyv/pdb.
30. Seetharaman J., Neely H., Wang D., Janjua H., Cunningham K., Owens L., Xiao R., Liu J., Baran M.C., Acton T.B., Rost B., Montelione G.T., Hunt J.F., Tong L. Crystal structure of Ribosome-associated protein Y (PSrp-1) from Clostridium acetobutylicum. Northeast Structural Genomics Consortium target id CaR123A. - 2009. - URL: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=3KA5. - doi: 10.2210/pdb3ka5/pdb.
Поступила в редакцию 28.06.16
Аюпов Рустам Хасанович, аспирант кафедры биохимии и биотехнологии Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: [email protected]
Акберова Наталья Ивановна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии и биотехнологии
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: [email protected]
ISSN 1815-6169 (Print) ISSN 2500-218X (Online)
UCHENYE ZAPISKI KAZANSKOGO UNIVERSITETA. SERIYA ESTESTVENNYE NAUKI (Proceedings of Kazan University. Natural Sciences Series)
2016, vol. 158, no. 3, pp. 327-337
Analysis of the Structure of SaHPF Staphylococcus aureus Protein
R.Kh. Ayupov , N.I. Akberova Kazan Federal University, Kazan, 420008 Russia E-mail: [email protected], [email protected]
Received June 28, 2016
Abstract
SaHPF (Staphylococcus aureus hibernation promoting factor) is the ribosome inactivating protein of the bacterium Staphylococcus aureus. The structure of this protein has been predicted using bioinfor-matics methods and represented by two domains and a hinge between them. The comparison of the primary sequence of SaHPF protein with the sequences of known structures of proteins determined by NMR and X-ray has revealed homology only for the first domain. At the same time, regions of homology to SaHPF protein entire sequence have been detected when it was compared to the Uniprot sequences. The search for homology for each individual domain has revealed 10 proteins homologous to the first domain and 3 homologs for the second domain; none of these homologous proteins have a hinge in their structure. The structural comparison of these homologues proteins with both domains of SaHPF has shown that the SaHPF first and second domain structures are accurately superimposed in the similar structural regions of homologous proteins. At least five of the identified proteins homologous to SaHPF are structurally related to the ribosome, which is an indirect indication of the quality of the SaHPF domain structure prediction and a sufficient background for the simulation of its behavior by equilibrium molecular dynamics. The analysis of SaHPF protein MD trajectories using principle components and normal modes methods has identified the characteristic collective motions of residues in the hinges regions between the P-sheet in both domains as well as in the hinge between the domains, which can be functionally important for SaHPF protein interaction with the ribosome.
Keywords: SaHPF, protein structure prediction, sequence homology, homology of structures, molecular dynamics
Acknowledgments. This study was funded by the subsidy allocated to Kazan Federal University as part of the state program for increasing its competitiveness among the world's leading centers of science and education.
The work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (project no. 16-34-60001_mol_a_dk).
Figure Captions
Fig. 1. Sequence alignment of SaHPF protein domains with sequences of 1IMU and 3LYV proteins: I -for the first domain, II - for the second domain.
Fig. 2. Superposition of SaHPF protein on homologous protein structures: I - for the first domain, II -the second domain. Different colors identify different proteins.
Fig. 3. RMSD (a) and RMSF (b) plots of SaHPF protein; the most moving sections of the polypeptide chain are 1 1 highlighted.
Fig. 4. Proteins structure visualization: left - the predicted model of SaHPF protein, indicating the distance between the domains; right - the model of HPF and RMF protein in the ribosome structure [3], with an indication of the distance between them.
References
1. Melzer M., Welch C. Thirty-day mortality in UK patients with community-onset and hospital-acquired meticillin-susceptible Staphylococcus aureus bacteraemia. J. Hosp. Infect., 2013, vol. 84, no. 2, pp. 143-150. doi: 10.1016/j.jhin.2012.12.013.
2. Miller L.G., Eells S.J., Taylor A.R., David M.Z., Ortiz N., Zychowski D., Kumar N., Cruz D., Boyle-Vavra S., Daum R.S. Staphylococcus aureus colonization among household contacts of patients with skin infections: risk factors, strain discordance, and complex ecology. Clin. Infect. Dis., 2012, vol. 54, no. 11, pp. 1523-1535. doi: 10.1093/cid/cis213.
3. Polikanov Y.S., Blaha G.M., Steitz T.A. How hibernation factors RMF, HPF, and YfiA turn off protein synthesis. Science, 2012, vol. 336, no. 6083, pp. 915-918. doi: 10.1126/science.1218538.
4. Ueta M., Wada Ch., Wada A. Formation of 100S ribosomes in Staphylococcus aureus by the hibernation promoting factor homolog SaHPF. Genes Cells, 2010, vol. 15, no. 1, pp. 43-58. doi: 10.1111/j.1365-2443.2009.01364.x.
5. Yang J., Yan R., Roy A., Xu D., Poisson J., Zhang Y. The I-TASSER Suite: protein structure and function prediction. Nat. Methods, 2015, vol. 12, no. 1, pp. 7-8. doi: 10.1038/nmeth.3213.
6. Raman S., Vernon R., Thompson J., Tyka M., Sadreyev R., Pei J., Kim D., Kellogg E., DiMaio F., Lange O., Kinch L., Sheffler W., Kim B-H., Das R., Grishin N.V., Baker D. Structure prediction for CASP8 with all-atom refinement using Rosetta. Proteins, 2009, vol. 77, no. 9, pp. 89-99. doi: 10.1002/prot.22540.
7. Xu D., Zhang Y. Ab initio protein structure assembly using continuous structure fragments and optimized knowledge-based force field. Proteins, 2012, vol. 80, no. 7, pp. 1715-1735. doi: 10.1002/prot.24065.
8. Ayupov R.K., Akberova N.I. Prediction of the three-dimensional structure of the protein SaHPF and analysis of its molecular dynamics. Int. J. Pharm. Technol., 2016, vol. 8, no. 2, pp. 1454814557.
9. Blast: Basic Local Alignment Search Tool. Available at: http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi
10. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Filipski A., Kumar S. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 6.0. Mol. Biol. Evol., 2013, vol. 30, no. 12, pp. 2725-2729. doi: 10.1093/molbev/mst197.
11. Clustal Omega. Available at: http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo
12. Ayupov R.K., Akberova N.I. Molecular dynamics of the pyridoxine derivative in the acetylcholinesterase active cavity. Res. J. Pharm. Biol. Chem. Sci., 2015, vol. 6, no. 6. pp. 1717-1722.
13. Ayupov R.K., Akberova N.I. The ligand behavior on the surface of acetylcholinesterase. Res. J. Pharm. Biol. Chem. Sci., 2015, vol. 6, no. 4, pp. 2202-2206.
14. Phillips J.C., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot Ch., Skeel R.D., Kale L., Schulten K. Scalable molecular dynamics with NAMD. J. Comput. Chem., 2005, vol. 26, no. 16, pp. 1781-1802.
15. Salomon-Ferrer R., Case D.A., Walker R.C. An overview of the Amber biomolecular simulation package. WIREs Comput. Mol. Sci., 2013, vol. 3, no. 2, pp. 198-210. doi: 10.1002/wcms.1121.
16. Best R.B., Zhu X., Shim J., Lopes P.E.M., Mittal J., Feig M., MacKerell A.D. Jr. Optimization of the additive CHARMM all-atom protein force field targeting improved sampling of the backbone phi, psi and side-chain chi1 and chi2 dihedral angles. J. Chem. Theory Comput., 2012, vol. 8, no. 9, pp. 3257-3273. doi: 10.1021/ct300400x.
17. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics. J. Mol. Graphics, 1996, vol. 14, no. 1, pp. 33-38. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5.
18. Pettersen E.F., Goddard T.D., Huang C.C., Couch G.S., Greenblatt D.M., Meng E.C., Ferrin T.E. UCSF Chimera - a visualization system for exploratory research and analysis. J. Comput. Chem., 2004, vol. 25, no. 13, pp. 1605-1612.
19. Usachev K.S., Efimov S.V., Kolosova O.A., Filippov A.V., Klochkov V.V. High-resolution NMR structure of the antimicrobial peptide protegrin-2 in the presence of DPC micelles. J. Biomol. NMR, -2015, vol. 61, nos. 3-4, pp. 227-234. doi: 10.1007/s10858-014-9885-4.
20. Sato A., Watanabe T., Maki Y., Ueta M., Yoshida H., Ito Y., Wada A., Mishima M. Solution structure of the E. coli ribosome hibernation promoting factor HPF: Implications for the relationship between structure and function. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2009, vol. 389, no. 4, pp. 580-585. doi: 10.1016/j.bbrc.2009.09.022.
21. Rak A., Kalinin A., Shcherbakov D., Bayer P. Solution structure of the ribosome-associated cold shock response protein Yfia of Escherichia coli. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2002, vol. 299, no. 5, pp. 710-714.
22. Vila-Sanjurjo A., Schuwirth B.S., Hau C.W., Cate J.H. Structural basis for the control of translation initiation during stress. Nat. Struct. Mol. Biol., 2004, vol. 11, no. 11, pp. 1054-1059.
23. De Bari H., Berry E.A. Structure of Vibrio cholerae ribosome hibernation promoting factor. Acta Crystallogr. Sect. F: Struct. Biol. Cryst. Commun., 2013, vol. 69, pt. 3, pp. 228-236. doi: 10.1107/S1744309113000961.
24. Ye K., Serganov A., Hu W., Garber M., Patel D.J. Ribosome-associated factor Y adopts a fold resembling a double-stranded RNA binding domain scaffold. Eur. J. Biochem., 2002, vol. 269, no. 21, pp. 5182-5191.
25. Kawazoe M., Takemoto C., Kaminishi T., Tatsuguchi A., Saito Y., Shirouzu M., Yokoyama S. Crystal structure of Thermus thermophilus protein Y N-terminal domain. 2007. Available at: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=2YWQ. doi: 10.2210/pdb2ywq/pdb.
26. Parsons L., Eisenstein E., Orban J. Solution structure of HI0257, a bacterial ribosome binding protein. Biochemistry, 2001, vol. 40, no. 37, pp. 10979-10986.
27. Franklin M.C., Cheung J., Rudolph M.J., Burshteyn F., Cassidy M., Gary E., Hillerich B., Yao Z.K., Carlier P.R., Totrov M., Love J.D. Structural genomics for drug design against the pathogen Coxiella burnetii. Proteins, 2015, vol. 83, no. 12, pp. 2124-2136. doi: 10.1002/prot.24841.
28. Seetharaman J., Su M., Wang D., Janjua H., Cunningham K., Owens L., Xiao R., Liu J., Baran M.C., Acton T.B., Rost B., Montelione G.T., Hunt J.F., Tong L. Crystal structure of Lmo2511 protein from Listeria monocytogenes, northeast structural genomics consortium target LkR84A. 2009. Available at: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=3K2T. doi: 10.2210/pdb3k2t/pdb.
29. Seetharaman J., Neely H., Forouhar F., Wang D., Janjua H., Cunningham K., Owens L., Xiao R., Liu J., Baran M.C., Acton T.B., Montelione G.T., Hunt J.F., Tong L. Crystal structure of a domain of ribosome-associated factor Y from streptococcus pyogenes serotype M6. Northeast Structural Genomics Consortium target id DR64A. 2010. Available at: http://www.rcsb.org/pdb/explore/ explore.do?pdbId=3LYV. doi: 10.2210/pdb3lyv/pdb.
30. Seetharaman J., Neely H., Wang D., Janjua H., Cunningham K., Owens L., Xiao R., Liu J., Baran M.C., Acton T.B., Rost B., Montelione G.T., Hunt J.F., Tong L. Crystal structure of Ribosome-associated protein Y (PSrp-1) from Clostridium acetobutylicum. Northeast Structural Genomics Consortium target id CaR123A. 2009. Available at: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=3KA5. doi: 10.2210/pdb3ka5/pdb.
Для цитирования: Аюпов Р.Х., Акберова Н.И. Анализ структуры белка SaHPF Staphylococcus aureus // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2016. - Т. 158, кн. 3. -С. 327-337.
For citation: Ayupov R.Kh., Akberova N.I. Analysis of the structure of SaHPF Staphylococcus aureus protein. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2016, vol. 158, no. 3, pp. 327-337. (In Russian)
