PDBとSOSUI・TMHMMを利用した演習

◆ PDBとSOSUI・TMHMMを利用した演習 ◆

→ Protein Data Bank ｜ SOSUI WWW Server ｜ TMHMM ←

1.　水溶性ビタミンと脂溶性ビタミンの「ビタミン関連分子を含んだタンパク質例」の中（または以下の演習用PDBデータ）にある，PDBの 1F88 へのリンクをクリックして分子モデルを表示させる。
　同ページのタブにある Sequence Details をクリックすると二次構造を含めた配列の詳細画像が示され，左欄の FASTA Sequence をクリックすると以下のような配列が表示される（現在は以下と表示形式が異なる）。

> 1F88:A RHODOPSIN
MNGTEGPNFYVPFSNKTGVVRSPFEAPQYYLAEPWQFSMLAAYMFLLIMLGFPINFLTLY
VTVQHKKLRTPLNYILLNLAVADLFMVFGGFTTTLYTSLHGYFVFGPTGCNLEGFFATLG
GEIALWSLVVLAIERYVVVCKPMSNFRFGENHAIMGVAFTWVMALACAAPPLVGWSRYIP
EGMQCSCGIDYYTPHEETNNESFVIYMFVVHFIIPLIVIFFCYGQLVFTVKEAAAQQQES
ATTQKAEKEVTRMVIIMVIAFLICWLPYAGVAFYIFTHQGSDFGPIFMTIPAFFAKTSAV
YNPVIYIMMNKQFRNCMVTTLCCGKNPLGDDEASTTVSKTETSQVAPA

　この配列（2行目から6行目）をマウスでドラッグして範囲指定してコピーする。

2.　SOSUI WWW Server にアクセスして SOSUI system に入り，sequence 入力窓にデータをペーストして Exec ボタンを押すと以下のように結果が表示される。

図1　結果の表示（編集画像）

　つまり，以下のFASTA形式のデータにおいて，緑色の部分が疎水性部分（膜貫通部分）と推定される。

表1(a)　SOSUIで予測した1F88_Aの疎水領域

No.	N terminal	transmembrane region	C terminal	length
1	40	LAAYMFLLIMLGFPINFLTLYVT	62	23
2	71	PLNYILLNLAVADLFMVFGGFTT	93	23
3	113	EGFFATLGGEIALWSLVVLAIER	135	23
4	156	GVAFTWVMALACAAPPLVGWSRY	178	23
5	207	MFVVHFIIPLIVIFFCYGQLVFT	229	23
6	261	FLICWLPYAGVAFYIFTHQGSDF	283	23
7	300	VYNPVIYIMMNKQFRNCMVTTLC	322	23

表1(b)　TMHMMで予測した1F88_Aの膜貫通領域

No. N terminal transmembrane region C terminal length

1 39 MLAAYMFLLIMLGFPINFLTLYV 61 23

2 74 YILLNLAVADLFMVFGGFTTTLY 96 23

3 111 NLEGFFATLGGEIALWSLVVLAI 133 23

4 153 AIMGVAFTWVMALACAAPPLVGW 175 23

5 202 SFVIYMFVVHFIIPLIVIFFCYG 224 23

6 254 VIIMVIAFLICWLPYAGVAFYIF 276 23

7 286 IFMTIPAFFAKTSAVYNPVIYIM 308 23

※TMHMM result
# Sequence Length: 348
# Sequence Number of predicted TMHs: 7
# Sequence Exp number of AAs in TMHs: 157.90524
# Sequence Exp number, first 60 AAs: 21.49411
# Sequence Total prob of N-in: 0.00024
# Sequence POSSIBLE N-term signal sequence
Sequence TMHMM2.0 outside 1 38
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 39 61
Sequence TMHMM2.0 inside 62 73
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 74 96
Sequence TMHMM2.0 outside 97 110
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 111 133
Sequence TMHMM2.0 inside 134 152
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 153 175
Sequence TMHMM2.0 outside 176 201
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 202 224
Sequence TMHMM2.0 inside 225 253
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 254 276
Sequence TMHMM2.0 outside 277 285
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 286 308
Sequence TMHMM2.0 inside 309 348

※TMHMMについては例えば以下を参照。

岡崎康司・坊農秀雅編，「ゲノム情報はこう活かせ！」，p.78，羊土社(2005)
広川貴次・美宅成樹，「できるバイオインフォマティクス」，pp.74-77（隠れマルコフプロファイル法）・p.90（TMHMM），中山書店(2002)
高木利久監修，「東京大学　バイオインフォマティクス集中講義」，pp.114-116（隠れマルコフモデル；HMM），羊土社(2004)

表2　SOSUIによる表1(a)の領域の疎水性インデックス値
※１文字アミノ酸配列から各種HTMLデータを作成する秀丸マクロにより作成（他の作例：1jgjの膜貫通部分アミノ酸配列）

1	3.8	1.8	1.8	-1.3	1.9	2.8	3.8	3.8	4.5	1.9	3.8	-0.4	2.8	-1.6	4.5	-3.5	2.8	3.8	-0.7	3.8	-1.3	4.2	-0.7
2	-1.6	3.8	-3.5	-1.3	4.5	3.8	3.8	-3.5	3.8	1.8	4.2	1.8	-3.5	3.8	2.8	1.9	4.2	2.8	-0.4	-0.4	2.8	-0.7	-0.7
3	-3.5	-0.4	2.8	2.8	1.8	-0.7	3.8	-0.4	-0.4	-3.5	4.5	1.8	3.8	-0.9	-0.8	3.8	4.2	4.2	3.8	1.8	4.5	-3.5	-4.5
4	-0.4	4.2	1.8	2.8	-0.7	-0.9	4.2	1.9	1.8	3.8	1.8	2.5	1.8	1.8	-1.6	-1.6	3.8	4.2	-0.4	-0.9	-0.8	-4.5	-1.3
5	1.9	2.8	4.2	4.2	-3.2	2.8	4.5	4.5	-1.6	3.8	4.5	4.2	4.5	2.8	2.8	2.5	-1.3	-0.4	-3.5	3.8	4.2	2.8	-0.7
6	2.8	3.8	4.5	2.5	-0.9	3.8	-1.6	-1.3	1.8	-0.4	4.2	1.8	2.8	-1.3	4.5	2.8	-0.7	-3.2	-3.5	-0.4	-0.8	-3.5	2.8
7	4.2	-1.3	-3.5	-1.6	4.2	4.5	-1.3	4.5	1.9	1.9	-3.5	-3.9	-3.5	2.8	-4.5	-3.5	2.5	1.9	4.2	-0.7	-0.7	3.8	2.5

図2　1F88 Chain Aの疎水性インデックス値（■が表1(a)の膜貫通部分）

図3　1F88 Chain Aの表1(a)に示した疎水領域の疎水性インデックス値の平均値（全平均値＝1.257）

図4　PDBのSequence Detailsページから参照できるProtein Dossierの1F88のα-helix領域（Chain Aのみ，SS_PDBの記述；赤いコイル状がα-helix）

MNGTEGPNFYVPFSNKTGVVRSPFEAPQYYLAEPWQFSMLAAYMFLLIMLGFPINFLTLY
VTVQHKKLRTPLNYILLNLAVADLFMVFGGFTTTLYTSLHGYFVFGPTGCNLEGFFATLG
GEIALWSLVVLAIERYVVVCKPMSNFRFGENHAIMGVAFTWVMALACAAPPLVGWSRYIP
EGMQCSCGIDYYTPHEETNNESFVIYMFVVHFIIPLIVIFFCYGQLVFTVKEAAAQQQES
ATTQKAEKEVTRMVIIMVIAFLICWLPYAGVAFYIFTHQGSDFGPIFMTIPAFFAKTSAV
YNPVIYIMMNKQFRNCMVTTLCCGKNPLGDDEASTTVSKTETSQVAPA

3.　以下の演習用PDBデータの1F88のChain Aを，親水性・疎水性がわかりやすい適当な色表示にしてから画像をクリップボードへコピーし，Wordかグラフィックソフト（ペイントなど）に貼り付ける。2 でわかった疎水領域の開始点・終了点がわかるように，矢印などを書き込んで完成させる（図2のように一部でよい）。最後はその画像を貼り込んだWord文書に調べたことやなどを書き足してレポートにする。

【参考】ブラウザに表示される表や図は範囲指定してコピーすればWordやExcelにペーストして編集することができる。SOSUIで表示される図はコピーできないが，キーボードの PrtSc キーを押すとディスプレイの全画面がコピーされる。ただしこれらを利用するときは著作権に十分配慮する必要がある。

図5　1F88の完成画像の例
[左]amino表示（番号は表1のNo.1の開始点と終了点），[右]極性・非極性区別表示で点線は水素結合

図6　左から二次構造，SOSUIによる予測疎水領域（表1(a)），TMHMMによる予測膜貫通領域（表1(b)），SS_PDBのα-helix領域（図4）

図7　表1の疎水性領域と図4のα-helix領域の各選択ボタンを利用して作成した画像によるアニメーション
※表示順序：全空間充填表示→2次構造表示→図4のα-helix領域を水色表示→さらに表1の疎水性領域を緑色表示→酸性・中性〈芳香族〉・塩基性アミノ酸区別表示

■ 演習2：PDB_1BL8のChain Aを例に　　→ 参考：イオンチャネルタンパク質の例（PDBデータ1BL8より）
　　※PDBデータではアミノ酸番号が23-119になっていことに注意

> 1BL8:A POTASSIUM CHANNEL PROTEIN
ALHWRAAGAATVLLVIVLLAGSYLAVLAERGAPGAQLITYPRALWWSVETATTVGYGDLY
PVTLWGRCVAVVVMVAGITSFGLVTAALATWFVGREQ

表3(a)　SOSUIで予測した1BL8_Aの疎水領域
(　)内はアミノ酸番号が23-119になっているPDBデータでの番号

No.	N terminal	transmembrane region	C terminal	length
1	10(32)	ATVLLVIVLLAGSYLAVLAERGA	32(54)	23
2	68(90)	CVAVVVMVAGITSFGLVTAALAT	90(112)	23

表3(b)　TMHMMで予測した1BL8_Aの膜貫通領域
(　)内はアミノ酸番号が23-119になっているPDBデータでの番号

No. N terminal transmembrane region C terminal length

1 7(29) AGAATVLLVIVLLAGSYLAVLAE 29(51) 23

2 44(66) LWWSVETATTVGYGDLYPVTLWG 66(88) 23

3 71(93) VVVMVAGITSFGLVTAALATWFV 93(115) 23

※TMHMM result
# Sequence Length: 97
# Sequence Number of predicted TMHs: 3
# Sequence Exp number of AAs in TMHs: 51.0683
# Sequence Exp number, first 60 AAs: 26.70279
# Sequence Total prob of N-in: 0.59542
# Sequence POSSIBLE N-term signal sequence
Sequence TMHMM2.0 inside 1 6
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 7 29
Sequence TMHMM2.0 outside 30 43
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 44 66
Sequence TMHMM2.0 inside 67 70
Sequence TMHMM2.0 TMhelix 71 93
Sequence TMHMM2.0 outside 94 97

図8　左からChainA-Dの酸性・中性・塩基性アミノ酸区別表示（今週の分子 38），SOSUIによる予測疎水領域（表3(a)），TMHMMによる予測膜貫通領域（表3(b)）

演習用PDBデータ（初期表示は1F88のChain A）

※〈　〉内はLigandとして含むビタミン関連分子（または補酵素），
　→でオリジナルPDBデータ表示（詳細はSummary Informationに記載）

1F88のChain A〈Vit.A（レチナール）〉　→ 1F88（Signaling Protein）
　※表1(a)の疎水領域選択

r_all
　※表1(b)の疎水領域選択

r_all
　※図4のα-helix領域選択

h_all

1E0PのModel 1（基底状態）〈Vit.A（レチナール）〉　→ 1E0P（Photoreceptor）

1JGJ〈Vit.A（レチナール）〉　→ 1JGJ（Signaling Protein） ※膜貫通部分詳細

1BL8のChain A　→ 1BL8（Channel Protein）
　※表3(a)の疎水領域選択（Chain A）

r_all
　※表3(b)の疎水領域選択（Chain A）

全選択 Ligand選択
Protein選択 helix選択 sheet選択
DNA/RNA全選択同backbone選択
空間充填球棒スティック OFF
CPK amino ｜ラベル表示 OFF
濃赤濃青緑濃ピンク水色橙紫白
酸性・中性・塩基性アミノ酸区別
極性・非極性区別
疎水性インデックス順
等電点順
Dot Surface表示 OFF
水素結合（細）同（太） OFF
Specular OFF ｜光量30% OFF
背景・黒背景・灰背景・白
回転 OFF ｜画像をクリップボードへコピー

※amino表示の凡例
ASP　GLU　CYS　MET　LYS　ARG　SER　THR　PHE　TYR
ASN　GLN　GLY　LEU　VAL　ILE　ALA　TRP　HIS　PRO

＝以下の表示はアミノ酸の親水性・疎水性参照＝

※酸性・中性〈芳香族〉・塩基性アミノ酸区別表示の凡例
ASP　GLU　GLY　ALA　VAL　LEU　ILE　CYS　SER　THR
ASN　GLN　PRO　MET　PHE　TYR　TRP　LYS　ARG　HIS

※極性〈酸性・塩基性〉・非極性（疎水性）アミノ酸区別
SER　THR　TYR　CYS　ASN　GLN　ASP　GLU　LYS　ARG
HIS　GLY　ALA　VAL　LEU　ILE　PHE　PRO　MET　TRP

※hydropathy index順
ARG　LYS　ASN　ASP　GLN　GLU　HIS　PRO　TYR　TRP
SER　THR　GLY　ALA　MET　CYS　PHE　LEU　VAL　ILE

※等電点順
ASP　GLU　CYS　ASN　PHE　GLN　TYR　SER　MET　TRP
VAL　GLY　LEU　ALA　ILE　THR　PRO　HIS　LYS　ARG

● 応用と展開　→

参考文献

1DZE

上記演習用PDBデータの1E0Pやその他のデータについて，同様にSOSUIやTMHMMで調べてみよう。
PDBやSOSUI・TMHMM以外のデータベースで1F88について得られる情報を探してみよう。
ゲノムネット｜バイオインフォマティクス入門コース
- タンパク質二次構造予測、膜貫通部位予測（nnpredict, SOSUI）
- モチーフ検索（MOTIF, Pfam）
n回膜貫通構造をもつタンパク質について調べてみよう。
PDBでのキーワード検索で，structures being processed or "on hold" 情報が存在し，Pre-released Sequences が見つかった場合は，その配列からnnpredict，SOSUI，Pfam :: Protein Searchで構造予想をしてみよう。
SOSUIを含めた多数のデータベースの検索結果が表示されるBioinformatic Harvesterで任意のキーワードで検索し，その結果を活用してみよう。
Chimeによる細胞膜・受容体関連コンテンツ例
- Membrane Channel & Pump Structures (Molecular Models for Biochemistry at CMU)
- MEMBRANE TRANSPORT (Department of Chemistry, Wellesley College / Intro To Biochem) ｜ MEMBRANES ｜ MEET the FATS
- Lipid Bilayers and the Gramicidin Channel　※ブラウザはNetscape Communicator 4.Xを要求
[TOPIC] 2003年ノーベル化学賞：　バイオ関連トピックス｜今週の分子（2003/10/09）
[新コンテンツ] 膜貫通タンパク質データ集｜データ集メニュー　※1jgjの膜貫通部分アミノ酸配列など

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