Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков

Проанализирована вторичная структура молекул тубулинов и FtsZ-белков из эволюционно отдаленных организмов. Выявлено, что большинство элементов вторичной структуры являются общими для всех исследуемых белков, но при этом каждый белок содержит также уникальные структурные элементы Стабильность вторичн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2001
Автори:	Ныпорко, А.Ю., Блюм, Я.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2001
Назва видання:	Біополімери і клітина
Теми:	Структура та функції біополімерів
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154336
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков / А.Ю. Ныпорко, Я.Б. Блюм // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 1. — С. 61-69. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-154336
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1543362019-06-16T01:29:06Z Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков Ныпорко, А.Ю. Блюм, Я.Б. Структура та функції біополімерів Проанализирована вторичная структура молекул тубулинов и FtsZ-белков из эволюционно отдаленных организмов. Выявлено, что большинство элементов вторичной структуры являются общими для всех исследуемых белков, но при этом каждый белок содержит также уникальные структурные элементы Стабильность вторичной структуры молекул во времени четко отличается для класса тубулинов и класса FtsZ. В случае тубулинов можно говорить о присущей этим белкам динамической метастабильности вторичной структуры Проаналізовано вторинну структуру молекул тубулінів та FtsZ-білків з еволюційно віддалених організмів. Виявлено, що більшість елементів вторинної структури є спільними для всіх досліджуваних білків, але при цьому кожний білок має також і унікальні структурні елементи. Стабільність вторинної структури молекул у часі чітко відрізняється для класу тубулінів і класу FtsZ. У випадку тубулінів можна говорити про властиву цим білкам динамічну метастабільність вторинної структури. The secondary structure of tubulin and FtsZ molecules from evolutionary distant organisms was analyzed. It was revealed that a majority of the secondary structure elements is common for all proteins investigated, but each protein has also unique structure elements. The time stability of molecules secondary structure is clearly different for the tubulin and FtsZ classes. In the case of tubulin we can speak about dynamic metastability of the secondary structure specific for these proteins. 2001 Article Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков / А.Ю. Ныпорко, Я.Б. Блюм // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 1. — С. 61-69. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.00059E http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154336 577.322.4:5:7 ru Біополімери і клітина Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Структура та функції біополімерів Структура та функції біополімерів
spellingShingle	Структура та функції біополімерів Структура та функції біополімерів Ныпорко, А.Ю. Блюм, Я.Б. Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков Біополімери і клітина
description	Проанализирована вторичная структура молекул тубулинов и FtsZ-белков из эволюционно отдаленных организмов. Выявлено, что большинство элементов вторичной структуры являются общими для всех исследуемых белков, но при этом каждый белок содержит также уникальные структурные элементы Стабильность вторичной структуры молекул во времени четко отличается для класса тубулинов и класса FtsZ. В случае тубулинов можно говорить о присущей этим белкам динамической метастабильности вторичной структуры
format	Article
author	Ныпорко, А.Ю. Блюм, Я.Б.
author_facet	Ныпорко, А.Ю. Блюм, Я.Б.
author_sort	Ныпорко, А.Ю.
title	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков
title_short	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков
title_full	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков
title_fullStr	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков
title_full_unstemmed	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков
title_sort	сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и ftsz-белков
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	2001
topic_facet	Структура та функції біополімерів
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154336
citation_txt	Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков / А.Ю. Ныпорко, Я.Б. Блюм // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 1. — С. 61-69. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.
series	Біополімери і клітина
work_keys_str_mv	AT nyporkoaû sravnitelʹnyjanalizvtoričnojstrukturytubulinoviftszbelkov AT blûmâb sravnitelʹnyjanalizvtoričnojstrukturytubulinoviftszbelkov
first_indexed	2025-07-14T05:58:20Z
last_indexed	2025-07-14T05:58:20Z
_version_	1837600814850375680
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2001. Т. 17. № 1 Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков А- Ю. Ныпорко, Я. Б- Блюм Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины Ул. Академика Заболотного, 148, Киев, 03143, Украина Проанализирована вторичная структура молекул тубулинов и FtsZ-белков из эволюционно отдаленных организмов. Выявлено, что большинство элементов вторичной структуры являются общими для всех исследуемых белков, но при этом каждый белок содержит также уникальные структурные элементы Стабильность вторичной структуры молекул во времени четко отли чается для класса тубулинов и класса FtsZ. В случае тубулинов можно говорить о присущей этим белкам динамической метастабильности вторичной структуры Введение. Тубулины — семейство высококонсерва тивных цитоплазматических белков, которые пред ставлены во всех без исключения эукариотических клетках [1]. Молекулярная масса (м. м.) тубули нов составляет величину порядка 50—55 кДа при варьирующей длине аминокислотной последовате льности в пределах 420—460 остатков. Тубулины являются основным структурным компонентом ми кротрубочек [2]. Внутриклеточные функции мик ротрубочек достаточно разнообразны и включают, в первую очередь, клеточное деление, клеточную подвижность, передвижение везикул и транспорт других макромолекулярных образований к ядру и от ядра. Существенными факторами функциониро вания микротрубочек являются их структурная полярность, динамическая нестабильность, обеспе чиваемая процессами ассоциации—диссоциации молекул тубулина, а также взаимодействием с ассоциированными белками (БАМы) [3] и мотор ными белками (динеин, кинезин) [4]. Тубулины подразделяются на три основных типа: а, /? и у. Первые два принимают непосредст венное участие в формировании микротрубочек, и в деполимеризованной форме тубулин существует как комплекс а- и /?-субъединиц, именуемый также гетеродимером (либо просто димером). Каждый димер связывает две молекулы GTP, одну из них путем ассоциации с а-тубулином (необменный © А. Ю. НЫПОРКО, Я. Б. БЛЮМ, 2001 сайт), вторую — с /J-тубулином (обменный сайт) [5]. Гидролиз GTP в сайте связывания молекулы /?-тубулина является обязательным условием диссо циации микротрубочек [6 ]. FtsZ-белки характерны для всех прокариотиче- ских организмов [7], а также для хлоропластов низших и высших растений. Эти белки с м. м. порядка 40 кДа обладают определенной гомологией аминокислотной последовательности с таковой у тубулинов [8 ]. Установлено, что FtsZ-белки ответ ственны за процессы деления бактерий и хлоропла стов [9, 10]. Подобно тубулинам они способны связывать молекулы GTP и ассоциироваться в полимерные структуры филаментного типа. В час тности, таким образом формируется бактериальное сократительное кольцо. Аналогично /S-тубулину, FtsZ обладает ЄТРазной активностью [11 ]. Сравнение данных о пространственной струк туре описанных семейств белков представляется логически обоснованной задачей, поскольку может дать представление о степени влияния эволюцион ных изменений в аминокислотной последователь ности данных белков на их структуру и клеточное поведение. Однако такая работа наталкивается на ряд трудностей как технического, так и методоло гического плана. Молекулы тубулинов и FtsZ слишком велики для ЯМР-спектроскопии, а приме нение рентгеновской либо электронной кристалло графии ограничивается высокой сложностью полу чения кристаллов этих белков. И если для живо тного тубулина удалось получить упорядоченную 61 НЫПОРКО А. Ю., БЛЮМ Я. Б. структуру антипараллельных протофиламентов [12] и проанализировать ее [13], то проблема получения кристаллов растительных тубулинов до сих пор остается неразрешимой из-за сложности выделения достаточного количества высокоочищен- ного белка. Работа по кристаллизации бактериаль ного FtsZ [14] также остается единичной. Что касается методологии, то, во-первых, ана лиз структуры кристаллизованных белков, и тубу линов в частности, не дает полного представления о структуре нативных белков, ибо конформация, которую белок принимает при кристаллизации, в условиях клетки обладает избыточным уровнем потенциальной энергии, и вероятность ее сущест вования in vivo может быть весьма незначительной [15]. Во-вторых, такой анализ ограничивается фиксацией только одного отдельно взятого состоя ния и не дает полного представления об изменени ях структуры белка в процессе его функционирова ния (собственные молекулярные колебания, функ циональные перестройки и т. д.). Нельзя не отметить также достаточно жесткого физического воздействия на белок в процессе кристаллизации, что в ряде случаев может привести к повреждени ям нативной структуры. Однако, несмотря на пере численные недостатки, электронная и рентгено вская кристаллография служат отличными инстру ментами первого приближения к пространственной структуре и, более того, их можно применять для построения моделей белков, первичная структура которых уже установлена. Базовым условием адек ватности таких моделей является достаточная сте пень гомологии аминокислотной последовательно сти. Из всего вышеизложенного можно заключить, что для получения исчерпывающего представления о структурно-функциональных особенностях бел ков необходимо осуществить моделирование их структуры и поведения с помощью методов молеку лярной механики. Отдельные эксперименты в на стоящее время широко используются благодаря бурному развитию компьютерной техники, уже позволяющей обрабатывать массивы данных в сот ни тысяч атомов, и наличию той критической массы сведений о поведении атомов и молекул, являющихся достаточными для адекватного описа ния макросистем [16—18]. Исходя из вышепере численного, в задачу данного исследования входи ло: уточнение существующих моделей животных тубулинов и бактериального FtsZ, полученных в результате кристаллографических исследований, построение de novo моделей растительного тубули на и хлоропластного FtsZ с последующим анализом структуры данных белков в статике и динамике. Материалы и методы. Объекты исследований. Для исследования использованы следующие белки: а) а- и /?-тубулин свиньи (Sus scrofa L) — коды последовательностей Р38557 и Р38558, 451 и 445 аминокислотных остатков соответственно; а- и /3- тубулин гусиной травы (Eleusine indica (L.) Ga- eth.) — коды 022347 и 022348, 451 и 445 амино кислотных остатков; бактериальный FtsZ из Methct- nococcus jannaschii — код Q57816; хлоропластный белок деления арабидопсиса (Arabidopsis thaliana L) — код 082533, 397 остатков. Выбор животных тубулинов и бактериального FtsZ обусловлен име ющимися данными по пространственной структуре их кристаллов; выбор растительных тубулинов — наличием у гусиной травы природного биотипа, являющегося высокорезистентным по отношению к двум классам веществ — динитроанилинам и фос- фороамидам, —которые являются высокоспеци фичными эффекторами именно по отношению к тубулинам растительного происхождения [19]. Ус тойчивость обусловлена заменой Thr на Не в поло жении 239 [20, 21 ]. Был высказано предположение о том, что подобная единичная замена может оказывать заметное влияние на распределение вто ричной структуры молекулы в целом. Сравнительное выравнивание первичных по следовательностей. Последовательности выбран ных белков получены из базы данных SWISS-PROT [22 ]. В процессе дальнейшей работы их выравнива ли и анализировали с помощью программы Clus- talX [23]. Моделирование пространственной структу ры. Для моделирования пространственной структу ры молекул а- и /?-тубулинов гусиной травы и хлоропластного FtsZ арабидопсиса использованы их первичные последовательности, указанные выше. Моделирование проводили с помощью сравнитель ного (профильного) метода [24 ]. В качестве матриц для приближения третичной структуры использо вали кристаллические модели а- и ^-тубулинов свиньи (Protein Data Bank, http://www.rcsb.org/- pdb, код 1TUB) и бактериального FtsZ М. jannas chii (Protein Data Bank, код 1FSZ). Первичные модели построены с применением программного пакета HyperChem 5.02 [25]. При помощи функ ции Select осуществляли маркировку соответствую щих аминокислот, после чего производили их заме ну с помощью функции Mutate меню Databases. Сольватация молекул. Для имитации внутри клеточных условий молекулы размещали в водную среду с помощью модулей editconf и genbox про граммного пакета GR0MACS [26 ]. Размер водного окружения определялся размерами исследуемых молекул и варьировал от 68,04 3 до 82,7 3 А3. 62 http://www.rcsb.org/- СРАВНЕНИЕ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ТУБУЛИНОВ И FTSZ-БЕЛКОВ Оптимизация структуры и молекулярная ди намика. Геометрию молекул оптимизировали пу тем минимизации потенциальной энергии с по мощью модулей grompp и mdrun программного пакета GROMACS. Модуль grompp (gromacs pre processor) генерирует набор рабочих параметров для последующих процедур оптимизации геомет рии, молекулярного рестрейнинга и молекулярной динамики. Для оптимизации использовали алго ритм крутого спуска (steepest descent) при макси мальном количестве шагов 1000 и градиенте 0,1. Энергию минимизировали с использованием сило вого поля ffgmx — стандартного силового поля GROMACS. Процедуру молекулярного рестрейнин га осуществляли с применением указанных выше модулей при температуре 300 К на протяжении 0,2 пс. Сообщения об ошибках в структуре молекул в течение работы программы отсутствовали. Молеку лярные колебания изучали на протяжении 1,5 пс при температуре 300 К. Обработка и анализ данных. Вторичную структуру анализировали, используя стандартную программу детектирования вторичной структуры dssp [27]. Матрицы зависимости вторичной струк туры от времени колебания генерировали с по мощью модуля do_dssp пакета GROMACS. Анализ трехмерной структуры и характера упаковки осу ществляли с помощью программ Swiss PDBViewer [28]. Результаты и обсуждение. В ходе сравнения первичной структуры исследуемых белков выявлен ряд консенсусных положений, являющихся общими для всей группы, а также ряд консенсусов, харак терных по отдельности для класса тубулинов и для класса FtsZ-белков. Общим для всех белков явля ется участок аминокислотной последовательности 145—152 (согласно выравненной нумерации) и единичные аминокислоты в позициях Glu-22, Arg- 64, Gly-99, Ala-108, Gly-110, Gly-115, Pro-179, Asp-203, Asn-210, Gly-250, Asn-253, Asp-255, что позволяет сделать вывод о высокой эволюционной консервативности данных положений. Аминокис лотные последовательности, консервативные внут ри каждого исследуемого класса, представлены на рис 1. Степень полной гомологии внутри классов составляет 36 % для тубулинов и 40 % для FtsZ. Однако степень частичной гомологии, являющаяся определяющим фактором для гомологии трехмер ной структуры, весьма высока и составляет 72 % для тубулинов и 74 % для FtsZ. Трехмерная структура белков, представленная на рис 2, показывает, что упаковка всех исследу емых молекул носит в целом сходный характер — два дифференцированных складчатых слоя, окру женных снаружи спиральными элементами. Отли чительными чертами обоих FtsZ является более компактный характер укладки их молекул, а также наличие неупакованных фрагментов в области N- конца, размер которых достигает 37 аминокислот ных остатков. Наличие неупакованных С-конце- вых фрагментов является характерной особенно стью обоих исследуемых семейств. У тубулинов эти районы волечены во взаимодействие с моторными белками [29], и можно предположить, что свобод ные фрагменты FtsZ также участвуют в этих про цессах. Сравнительный анализ динамики вторичной структуры исследованных белков представлен в таблице. Нумерация приведена согласно выравни ванию первичных последовательностей. Тип струк туры обозначен в колонках с индексом «стр.», структурные элементы — буквами Н (helix, спира ли) и S (sheet, складки). Стабильные участки структурных элементов выделены темно-серым цветом, нестабильные — светло-серым. Звездочка ми отмечены аминокислоты, общие для всех бел ков. Таблица демонстрирует вполне определенное сходство элементов вторичной структуры. Однако следует отметить, что элементы вторичной струк туры тубулинов обладают выраженной метаста- бильностыо, характеризующейся наличием перехо дов ряда аминокислот складок и спиралей в неупо рядоченные структуры и обратно. Количество структурных элементов варьирует у разных белков. Так, у а-тубулина устойчивого биотипа гусиной травы присутствует максимальное количество этих элементов— 19 спиральных и 11 складчатых уча стков, а у FtsZ метанококка оно минимально — 12 спиралей и 13 складок. Важно подчеркнуть, что основная масса структурых элементов являются общими либо расположенными в перекрывающихся областях. Можно четко отследить два района, обла дающих гомологией вторичной структуры. Пер вый — расположен в области от 94 до 276 амино кислотных остатков, согласно сводной выравненной нумерации, и содержит по четыре спиральных и четыре складчатых компонентов. Второй — мень ший, локализуется на участке 326—342 и содержит одну спираль. Ряд структурных элементов являются уникаль ными для каждого из белков: Н2 — для а-тубулина устойчивого биотипа Е. indica; S11 и S12 — для /?-тубулина Е. indica; HI , SI2 и SI3 —для бакте риального FtsZ. Некоторые элементы характерны для групп белков: H I - и S1-структуры в районе N-конца характерны для всех тубулинов, так же как Н2(Н4) и S2 в области 65—79 аминокислотных остатков и S8(S9) в области 316—324. Интересной 63 НЫПОРКО А. Ю., БЛЮМ Я. Б. b - t l l b U l i n \| Е . i n d i c a MREILHIQGGQCGNQIGAKFWEVICDEHGIDHTGKYAGDSDLQ--LERINVYYNEASGGRFVPRAVLMDLEPGTMDSVRSGPFGQIFRPDNFVFGQSGAG 98 b-tubulin IS.scrofa MREIVHIQAGQCGNQIGAKFWEVISDEHGIDPTGSYHGDSDLQ—LERINVYYNEAAGNKWPRAILVDLEPGTMDSVRSGPFGQIFRPDNFVFGQSGAG 98 a-tubulinIE.indica MRECISIHIGQAGIQVGNACWELYCLEHGIQADGQMPGDKTIGGGDDAFNTFFSETGAGKHVPRAVFVDLEPTVIDEVRTGTYRQLFHPEQLISGKEDAA 100 a-tubulin\|S.scrofa MRECISIHVGQAGVQIGNACWELYCLEHGIQPDGQMPSDKTIGGGDDSFNTFFSETGAGKHVPRAVFVDLEPTVIDEVRTGTYRQLFHPEQLITGKEDAA 100 ruler 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 b-tubulin I E. indica NNWAKGHYTEGAELIDSVLDVVRKEAENCDCLCX5FQVCHSLGGGTGSGMGTLLISKIREEYPDRMMLTFSVFPSPKVSDTWEPYNATLSVHQLVENADE 158 b-tubulin I S. scrofa N^AKGHYTEGAELVDSVLDVWKESESCDCLQGFQLTHSLGGGTGSGMGTLLISKIREEYPDRIMNTFSVVPSPKVSDTWEPYNATLSVHQLVENTDE 198 a-tubulin IE. indica ^FARGHYTIGKEIVDLCLDRIRKLADNCTGLGXSFLVFNAVGGGTGSGLGSLLLERLSVDYGKKSKLGFTVYPSPQVSTSVVEPYNSVLSTHSLLEHTDV 200 a-tubulin I S. scrofa ^YARGHYTIGKEIIDLVLDRIRKLADG£TGLG<3FSVFHSFGGGTGSGF^ 200 ruler 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 b-tubulin IE. indica CMVLDNEALYDICFRTLKIATPTFGDL^LISATMSGWCCLRFPG 2 9 8 b-tubulin I S. scrofa TYCIDbreALYDICFRTLKLTTPTYGDLNHLVSATMSGWTCLRFPGQLNADL 2 9 8 a-tubulin IE. indica AVLLDNEAIYDICRIISLDIERPTYTNL^LVSQVISSLTASLRFIXIA^ 3 0 0 a-tubulin I S. scrofa AFMVDNEAIYDICRRNLDIERPTYTNLNRLIGQIVSSITASLRFDGALNVDLTEFQTNLVPYPRAHFPLATYAPVISAEKAYHEQLSVAEITNACFEPAN 3 0 0 ruler 2 1 0 2 2 0 2 3 0 2 4 0 2 5 0 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0 3 0 0 b-tubulin\|E. indica mCAADPRHGRYLTASAMFRGKMSTKEVDEQMLNVQNKNSSYFVEWIPNNVKSSVCDIPP NGLKMASTFIGNSTSIQEMFRRVSEQFTAMFR 390 b-tubulin I S. scrofa NMAACDPRliGRYLWAAVFRGRMSMKEVDEGllLWQNKNSSYFVEWIPNNVKTAVCDIPP RGLKMSATFIGNSTAIQELFKRISEQFTAMFR 390 a-tubulin\|E. indica Mb^CDPRHGKYMACCLMYRGDWPKDWAAVATIKT^ 4 00 a-tubulin I S. scrofa GJ1VKCDPRHGKYMACCLLYRGDWPKDWAAIATIKTKRTIQFVDWCPT 400 ruler 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 D-Cubulin\|E.indica RKAFLHWYTGEGMDEMEFTEAESNMNDLVAEYQQYQDATAEDEEEYEDEEEEMAA 445 г - ' ' . : b u l i n I S . scrofa RKAFLHWYTGEGMDEMEFTEAESNMNDLVSEYQQYQDATADEQGEFEEEGEEDEA 445 a-Lubulin\|E.indica KRAFVHWYVGEGMEEGEFSEAREDLAALEKDYEEVGAEFDEGEE—GDEGDEY— 451 a-tubulin I S. scrofa KRAFVHW YVGEGMEEGEFSEAREDMAALEKDYEEVGVDSVEGEG—EEEGEEY— 451 ruler 410 420 430 440 450 yv"\rAYvw\A_^Myv\_ A FTSZ\|M.jannaschii MKFLKNVLEEGSKLEEFNELELSPEDKELLEYLQQTKAKITWGCGGAGNNTITRLKMEGIEGAKTVAINTDAQQLIRT--KADKKILIGKKLTRGLGAG 98 FTSZI A.thaiiana MLRGEGTSTIVNPRKETSSGPWEDFEEPSAPSNYNEARIKVIGVGGGGSNAVNRMIESEMSGVEFWIVNTDIQAMRMSPVLPDNRLQIGKELTRGLGAG 100 ruler 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 FTSZ \|M. jannaschii GNPKIGEEAAKESAEEIKAAIQDSDMVFITCGLGGGTGTGSAPWAEISKKIGALW 198 FTSZ I A. thaliana GNPEIG^AARESKEVIEEALYGSDMVFVTAGMGGGTGTGAAPVIAGIAKAMGILTVGIATTPFSFEGRRRTVQAQEGLASLRDNVDTLIVIPNDKLLTA 200 ruler 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 FTSZ IM. jannaschii VPN-MPLKIAFKVADEVLINAVKGLVELITKDGLINVDFAD^ 297 FTSZ I A. thaliana VSQSTPVTEAFNLADDILRQGVRGISDIITIPGLVNVDFADVRAIMANAGSSmGIGTATGKSRARDAALNAIQSPLLDIGIERATGIVWNITGGSDLTL 300 ruler 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 FTSZ \|M. jannaschii E EARE W A T V S S RLDPNAT11WGATIDENLENTVRVLLVITGVQS R IEFTDTGLKR KKLELTGIPKI 364 FTSZ I A. thaliana FF.WAAAEVIYDLVDPTANLIFGAVVDPALSGQVSITLIATGFKRQEEGEGRTVQMVQADAASVGATRRPSSSFRESGSVEIPEFLKKKGSSRYPRV 397 ruler 310 320 330 340 350 360 370 380 390 Б Рис. 1. Сравнительный анализ последовательностей внутри семейств тубулинов (А) и FtsZ (Б) СРАВНЕНИЕ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ТУБУЛИНОВ И FTSZ-БЕЛКОВ НЫПОРКО А. Ю., БЛЮМ Я. Б. Сравнительный анализ динамики вторичной структуры тубулинов и FtsZ. Пояснения в тексте СРАВНЕНИЕ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ТУБУЛИНОВ И FTSZ-БЕЛКОВ Продолжение таблицы НЫ1ЮРК0 А. Ю., БЛЮМ Я. Б. Окончание таблицы особенностью а-тубулина свиньи является наличие трех аминокислот (в позициях 110, 113 и 114), геометрия которых меняется в пределах от спи ральной до складчатой. Можно также отметить, что для высококонсервативных аминокислотных остат ков (см. выше) гомология вторичной структуры является нехарактерной. Степень упорядоченности структуры для всех исследуемых белков колеблется в пределах 55— 56 %, за исключением бактериального FtsZ, струк турированность которого более высокая — 65 %. Но по степени вариабельности структуры молекул семейства тубулинов и семейства FtsZ четко разли чается между собой. Так, для первых она весьма высока и составляет 49 и 54 % для а-тубулинов S. scrofa и Е. indica, 44 и 42 % — для соответствую щих ^-тубулинов. Интересно, что устойчивый био тип гусиной травы характеризуется несколько по вышенным уровнем стабильности: его вариабель ность составляет всего 40 %. Целый ряд струк турных элементов тубулинов не имеет участков (ядер) с устойчивой структурой, в особенности это касается элементов складок. Нестабильными для всех тубулинов являются складки S3, S7, а также спиральные элементы в районах 302—304 (кроме устойчивого биотипа), 343—346. Для а-тубулинов характерна нестабильная складка S6 и спирали 369—371. /S-Тубулин гусиной травы отличается наличием метастабильных складок S11 и S12, от сутствующих у других белков. В отличие от вторичной структуры тубулинов вторичная структура FtsZ обладает значительной динамической устойчивостью, показатель вариа бельности составляет 21 % для бактериального и 25 % для растительного белков. Наличие безъядер ных (полностью нестабильных) структурных эле ментов для этого семейства нехарактерно. Большая степень структурной стабильности FtsZ определя ется более плотным характером упаковки белковой глобулы. Соотношение количества аминокислот к объему молекулы составляет 15,2 % о против 12,7 %<> у тубулинов. Вторичная структура а-тубулина устойчивого биотипа гусиной травы обладает рядом интересных особенностей. Замена единственной аминокислоты влияет на структуру не только непосредственно около места мутации, где в область спирализации вовлекаются еще шесть аминокислот в положениях 242—247, а также вызывает увеличение стабильно го ядра на три остатка в положениях 239—241 (структура этой области больше напоминает анало гичную область животного а-тубулина). Наблюда ются также изменения в распределении структур ных элементов на отдаленных участках аминокис лотной последовательности этой молекулы, которые сопровождаются значительным повышени ем уровня стабильности структуры. Существенно увеличивается размер структурных ядер, а в эле ментах Н18, S8, S11 они возникают de novo. «Эффект единичной замены» оказывается столь весомым ввиду консервативности Thr-239 для всех известных а-тубулинов, а также пространственной близости этой позиции к целому ряду структурно значимых участков. На основе вышеизложенного можно сделать вывод о том, что при общем подобии структуры исследованных белков наблюдается целый ряд от личий, касающихся распределения компонентов вторичной структуры и их устойчивости во време ни, которые, вероятно являются определящими для ряда их индивидуальных фармакологических и им мунологических свойств. Динамическая метаста- бильность молекул тубулинов, очевидно, является одним из факторов, который наряду с гидролизной активностью ^-тубулинов может обусловливать присущую микротрубочкам динамическую неста бильность в живой клетке. A. Yu. Niporko, Yd В. Blum Comparative analysis of the tubulin secondary structure Summary The secondary structure of tubulin and FtsZ molecules from evolutionary distant organisms was analyzed. It was revealed that a majority of the secondary structure elements is common for all proteins investigated, but each protein has also unique structure elements. The time stability of molecules secondary structure is clearly different for the tubulin and FtsZ classes. In the case of 68 СРАВНЕНИЕ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ТУБУЛИНОВ И FTSZ-БЕЛКОВ tubulin we can speak about dynamic metastability of the secondary structure specific for these proteins. О. Ю. Нипорко, Я. Б. Блюм Порівняльний аналіз вторинної структури тубулінів і FtsZ-білків Резюме Проаналізовано вторинну структуру молекул тубулінів та FtsZ-білків з еволюційно віддалених організмів. Виявлено, що більшість елементів вторинної структури є спільними для всіх досліджуваних білків, але при цьому кожний білок має також і унікальні структурні елементи. Стабільність вто ринної структури молекул у часі чітко відрізняється для класу тубулінів і класу FtsZ. У випадку тубулінів можна говорити про властиву цим білкам динамічну метастабіль- ність вторинної структури. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Hyams J. S., Lloyd С. W. Microtubules.—New York: Willey- Liss, 1993. 2. Fosket D. E., Morejhon L. C. Structural and functional organization of tubulin / / Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Мої. Biol.—1992.—43.—P. 201—240. 3. Mandelkow E., Mandelkowa E.-M. Microtubules and micro- tubule-associated proteins / / Curr. Opin. Cell Biol.—1995.— 7.—P. 72—81. 4. Vallee R. В., Sheetz M. P. Targeting of motor protein / / Science.—1996.—271.—P. 1539—1544. 5. Nath J. P., Himes R. H. Localization of the exchangeable nucleotide binding domain in beta-tubuline / / Biochem. and Biophys. Res. Communs.—1986.—135.—P. 1135—1143. 6. Carlier M.-F. Role of nucleotide hydrolysis in the polymeriza tion of actin and tubulin / / Cell Biophys.—1988.—12.— P. 105—117. 7. de Boer P. A. J., Cook W. R., Rothfield L. I. Bacterial cell division / / Annu. Rev. Genet.—1990.—24.—P. 249—274. 8. Ericson H. P. FtsZ, a tubulin homologue in prokaryotic cell division / / Trends Cell Biol.—1997.—7.—P. 362—367. 9. Rothfield L. I., Justice S. S. Bacterial cell division: the cycle of the ring / / Cell.—1997.—88.—P. 581—584. 10. Kuroiwa Т., Kuroiwa H., Sakai A. The division apparatus of plastids and mitochondria / / Int. Rev. Cytol.—1998.—181.— P. 1—41. 11. Nogales E., Downing JC E., Amos L. A., Lowe J. Tubulin and FtsZ form a distinct family of GTPases / / Nat. Struct. Biol.—1998.—5.—P. 451—458. 12. Nogales E., Wolf S. G., Zhang S., Downing JC H. Preservation of 2-D crystals of tubulin for electron crystallography III. Struct. Biol.—1995.—115.—P. 199—208. 13. Nogales E., Wolf S. G., Downing JC H. Structure of a^-tubulin dimer by electron crystallography / / Nature.—1998.—391.— P. 199—203. 14. Lowe J., Amos L. A. Crystal structure of the bacterial cell-division protein FtsZ / / Nature.—1998.—391.—P. 203— 206. 15. Damaschun G., Damaschun H., Gast 1С, Zirwer D. Protein can adopt totally different folded conformations / / J. Мої. Biol.—1999.—291.—P. 715—725. 16. MacKerell A. D., Bashford D., Bellot M. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamic studies of proteins / / J. Phys. Chem.—1998.—102.—P. 3586—3616. 17. Koehl P., Levitt M. Theory and simulation: can theory challenge experiment? / / Curr. Opin. Struct. Biol.—1999.— 9.—P. 155—156. 18. Aim E., Baker D. Mathing theory and experiment in protein folding / / Curr. Opin. Struct. Biol.—1999.—9.—P. 189—196. 19. Емец А. И., Блюм Я. Б. Устойчивость растений к гер бицидам с антимикротрубочковым механизмом действия: от природных мутантов до переноса генов / / Физиология растений.—1999.—46.—С. 899—907. 20. Cronin 1С Е., Hussey P. J., Ray J. A., Waldin Т. R. Herbicide resistant plants / / World Intellect. Property Org. Int. Publ.— 1993.—N WO 93/24637. 21. Yamamoto E., Zeng L., Baird W. V. a-tubulin missense mutation correlate with antimicrotubule drug resistance in Eleusine indica II Plant Cell.—1998.—10.—P. 297—308. 22. Bairoch A., Apweiler R. The SWISS-PROT protein sequence data bank and its supplement TrEMBL in 2000 / / Nucl. Acids Res.—2000.—28.—P. 45—48. 23. Thompson J. D., Gibson T. J., Plewniak F. The ClustalX windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools / / Nucl. Acids Res.—1997.—24.—P. 4876—4882. 24. Guex N., Peitsch M. C. Molecular modelling of proteins / / Immunol. News.—1999.—6.—P. 132—134. 25. HyperChem release 5.0. Reference manual.—Ottawa: Hyper- cube Inc., 1996.—656 p. 26. Van der Spoel D, van Buuren A. R., Apol E. GROMACS user manual, version 2.0 — BIOSON Res. Inst, and Lab. of Bio phys. Chem. of Univ. of Groningen.—Groningen, 1999. 27. Kabsch W., Sander C. Dictionary of protein secondary struc ture: Pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features / / Biopolymers.—1983.—22.—P. 2577—2637. 28. Guex N, Peitsch M. C. SWISS-MODEL and the Swiss-Pdb- Viewer: An environment for comparative protein modeling / / Electrophoresis.—1997.—18.—P. 2714—2723. 29. Amos L. A. Focusing-in on microtubules / / Curr. Opin. Struct. Biol.—2000.—10.—P. 236—241. УДК 577.322.4:5:7 Надійшла до редакції 05.07.2000 69

Сравнительный анализ вторичной структуры тубулинов и FtsZ-белков

Репозитарії

Схожі ресурси