Мембранные белки

Задача — предсказать топологию мембранного белка и сравнить предсказание с ориентированной в мембране 3D-структурой белка-прототипа.

Построение парного выравнивания исследуемого белка и заданного прототипа

Для сравнения последовательности и нумерации из PDB-файла и файла, полученного из БД UniProt, было построено глобальное выравнивание.
Оказалось, что в PDB-файле последовательность не имеет первый метионин, соответственно нумерация сдвинута на 1 позицию к началу, в остальном последовательности идентичны.

Было построено выранивание белка-прототипа (последовательности из PDB-файла) и исследуемого белка следующей командой:

needle Q4SFK5.fasta 1okc.fasta marking.needle -gapopen 10 -gapextend 0.5

Полученное выравнивание имеет достаточно хорошие характеристики:

# Length: 300
# Identity:     266/300 (88.7%)
# Similarity:   284/300 (94.7%)
# Gaps:           4/300 ( 1.3%)
# Score: 1412.0

Это говорит о высокой вероятности выполнения этими белками одной и той же функции, а значит и структура, так как они оба являются мембранными белками, должна быть схожа.

Разметка мембранных сегментов на выравнивании

По идентификатору PDB белка-прототипа было найдено описание ориентации белка в мембране в БД OPM

Далее было выполнено предсказание топологии исследуемого белка с помощью сервера TMHMM. (использовались опции по умолчанию).
Так выглядит результат работы сервера TMHMM

В файле, содержащем выравнивание белка-прототипа (последовательности из PDB-файла) и исследуемого белка, были добавлены 2 последовательности OPM, которая отражает данные об ореинтации белка-прототипа из БД OPM, и TMHMM, которая отражает результаты работы сервера TMHMM, где буквой "Н" отмечены позиции мембранных сегментов, позиции цитоплазматических петель знаком "+", остальные - знаком "-".

В результате выранивание выглядит следующим образом:


На выравнивании участки TP отмечены красным, TN - желтым, FP - синим и FN - фиолетовым.

Также выравнивание сохранено в виде текстового файла формата Clustal.

Оценка качества предсказания

Сравнивалось полученное предсказание с данными ОРМ.

Результаты предсказания топологии мембранного белка с PDB ID 1OKC

	Число а.к. остатков
Всего а.к. остатков	300
Остатки, предсказанные как локализованные в мембране (всего)	47
Правильно предсказали (true positives, TP)	43
Предсказали не то, что нужно (а.о. предсказаны как мембранные, а по данным ОРМ таковыми не являются, false positives, FP)	4
Правильно не предсказали (не предсказаны, и по данным ОРМ не находятся в мембране, true negatives, TN)	131
Не предсказали то, что нужно (остатки по данным ОРМ находятся в мембране, false negatives, FN)	102
Чувствительность (sensivity) = TP/(TP+FN)	43/(43+102)=0.3
Специфичность (specificity) = TN/(TN+FP)	131/(131+4)=0.97
Точность (precision) = TP / (TP+FP)	43/(43+4)=0.92
Сверхпредсказание = FP/(FP+TP)	4/(4+43)=0.09
Недопредсказание = FN/(TN+FN)	102/(102+131)=0.44

Оценка качества предсказания:
Как можно видеть из таблицы, точно предсказания оказалась достаточно велика, то есть те участки, которые в предсказании были объявлены как мембранные с точностью 92% оказались таковыми, что очень хорошо.
При этом специфичность предсказания так же очень высока. В 97% случаев участки, предсказаные как немембранные оказались таковыми.
Чувствительность предсказания оказалось достаточно низкой, всего 30%. Значит участки, предсказанные как мембранные, составляют всего 30% от мембранных участков, описанных ОРМ.
Сверхпредсказание оказалось равным почти 1%, что говорит о том, что почти не предсказано лишнего.
Зато недопредсказание достаточно велико. 44% информации о положении мембранных участков оказалось непредсказаным.
В общем предсказание оказалось достаточно хорошим с точки зрения достоверности, но при этом многие мембранные участки не были предсказаны вообще.