膜蛋白资源

介绍

什么是膜蛋白？

膜定义了细胞和细胞器的边界，由磷脂双层组成。膜蛋白嵌入磷脂双层或与磷脂双层相关。膜蛋白对细胞生存和跨膜通讯至关重要分子转运体,信号受体,离子通道、和酶虽然膜蛋白由大约五分之一的人类基因编码，但它们占所有药物靶点的一半。

与可溶性球状蛋白不同，膜蛋白的表面有疏水性氨基酸侧链，因此可以与疏水性磷脂双层结合并嵌入其中。然而，当这些蛋白质从脂质中分离出来时，它们往往会聚集和/或沉淀。因此，实验确定的膜蛋白结构在PDB档案中的代表性不足。然而，最近实验设计的改进(例如冷冻电子显微镜的使用以及洗涤剂、脂质分子、囊泡和纳米盘的加入为膜蛋白结构的测定提供了丰富的新可能性。

为什么了解膜蛋白很重要？

由于膜蛋白的膜相关区域和膜穿越区域具有不同的特性，识别蛋白质中的这些区域可以帮助我们了解膜蛋白的稳定性和功能。例如，了解蛋白质的哪些部分面对细胞溶质，哪些部分是细胞外的，可以帮助我们识别膜受体的配体结合域和信号传递域。一般来说，膜蛋白可以根据其不同的时空特征进行分类：

• 基于膜结合持续时间的分类：
• 整合膜蛋白被永久地附着在脂质双层上，或者嵌入膜中或者锚定在膜上。
• 外周膜蛋白与膜或膜蛋白形成短暂复合物。
• 基于膜结合模式的分类：
• 跨膜（或比特）蛋白质至少穿过膜层一次。
• 单主题膜蛋白附着在脂质双层的单侧。它们可以与脂质分子共价结合，或通过两亲性α螺旋、疏水环或静电相互作用与膜相互作用。

文档

如何在PDB中识别膜蛋白结构？

虽然膜蛋白由螺旋和片状物组成，但它们有一些独特的特征和性质，使其区别于任何其他可溶性蛋白。这些蛋白质的PDB结构通常不包括脂质双层，因此必须由专家手动和/或编程注释膜结合区域。根据膜蛋白注释，这些蛋白质可以根据其膜相关区域以各种方式组织。

四种外部资源用于将PDB档案中的条目注释为膜蛋白：

• OPM：膜数据库中蛋白质的定位(洛米兹，2012)：该分类源自SCOP和运输车分类数据库（TCDB）。自定义传递能量函数用于确定脂质双层的位置。
• PDBTM：跨膜蛋白质的蛋白质数据库(Kozma，2012年)：此资源基于TMDET公司算法(Tusnády，2004年)通过3D结构检测膜蛋白。
• MemProtMD：脂质双层膜蛋白数据库(纽波特，2019年)：该自动注释管道基于序列特征识别完整的α-螺旋结构域和β-桶，然后使用分子动力学模拟确定蛋白质-脂质相互作用。
• mpstruc：已知结构的膜蛋白(怀特，2009年)：此浏览器中的结构是根据文献调查手动整理的。

这些资源中的每一种都使用了各种方法和策略来注释膜蛋白（在Shimuzu，2018年). 一些膜蛋白结构被所有四种外部资源一致注释。根据使用的注释策略，一些膜蛋白结构仅由单个资源注释。例如，OPM覆盖的外周膜蛋白的比例比其他资源中所代表的要高得多。相比之下，MemProtMD专门考虑整体膜蛋白。

不同类型的膜蛋白信息来源于四种资源中的每一种（见表1）。所有四种外膜分类资源都提供了PDB入门级信息。通过与相关UniProt特征或关键字（“跨膜区”、“膜内区”、‘信号肽’、‘转运肽’、“膜”和‘细胞膜’）交叉引用，这些数据映射到这些条目中的单个实体。OPM和mpstruc资源提供了膜蛋白的详细分类，OPM和PDBTM提供了与膜相关的特定序列片段的信息。分类和膜蛋白片段注释都集成到rcsb.org中，可以在那里访问。此外，OPM、PDBTM和MemProtMD提供了它们自己的相对于蛋白质的膜层可视化。

表1：下表总结了OPM、PDBTM、MemProtMD和mpstruc提供的信息类型。

提供的信息	OPM公司	PDBTM公司	MemProtMD公司	mpstruc结构
注释性膜蛋白的详细分类	集成到rcsb.org中；显示为浏览树			集成到rcsb.org中；显示为浏览树
膜相关序列片段	集成到rcsb.org中；显示为实体级信息	集成到rcsb.org中；显示为实体级信息
蛋白质背景下膜层的三维可视化	在外部资源中可用	在外部资源中可用	在外部资源中可用

如何获取膜蛋白信息？

来自外部资源的各种注释和分类可以帮助人们识别PDB中的膜蛋白，了解膜相关序列片段，并在3D中可视化膜相对于蛋白质的位置。

使用高级搜索系统搜索OPM、PDBTM、MemProtMD或mpstruc注释显示所有注释为膜蛋白的条目通过这些资源之一。

浏览膜蛋白树

“浏览注释”功能允许使用来自OPM公司和mpstruc结构资源。这两种资源的层次结构也显示在分类膜蛋白的注释页面上。

结构摘要页面上的膜注释

如果条目是膜蛋白，则结构摘要页面包含特殊的“膜蛋白”备注。此链接指向条目的“注释”页面。对于结构中的每个膜蛋白实体，页面的大分子部分都有一个专用的“膜实体”标签。OPM、PDBTM和MemProtMD的外部链接可通过注释页面获得，并提供相应膜蛋白条目的详细信息。

1D序列视图中的膜注释

OPM和PDBTM在序列水平上提供膜相关片段的信息。此信息可在蛋白质特征视图以及UniProt关于跨膜和膜内区域的注释。

如果外部资源使用非标准链标识符，则蛋白质特征视图中可能会缺少注释（就像OPM和PDB ID一样6千33). UniProt、OPM和PDBTM报告的序列位置之间预计存在细微差异。

在3D视图中预测和可视化膜位置（以摩尔*为单位）

膜蛋白的结构摘要页面包含一个链接，链接到一个特殊的Mol*可视化，该可视化显示预测的膜位置和方向，通过ANVIL（脂质双层的赋值和可视化，Postic，2016年)算法。ANVIL是TMDET算法的简化版本(Tusnády，2004年)，PDBTM使用的算法。Mol*包含ANVIL算法的实现，该算法将膜模拟为两个半透明圆形平面段之间的空间。值得注意的是，这是一个没有实验数据支持的预测。

ANVIL根据疏水性对20种典型氨基酸进行分类，这决定了它们嵌入膜的倾向。该算法重点关注与溶剂或膜相互作用的“暴露”残留物，根据其溶剂可及表面积进行识别和过滤。最佳膜位置假定为嵌入最大数量的暴露疏水残基，同时排除最大数量的外露亲水残基。基于此假设，ANVIL迭代优化其对膜位置和厚度的预测。

该算法的一个缺点是，它只考虑聚合物残留物，而忽略了结构中建模的脂质，从而导致预测不完美，例如PDB ID的预测2xtv电视ANVIL对NMR测定的蛋白质的预测也有缺陷(例如，PDB ID5x29像素)在这种情况下，切换到不同的核磁共振模型可能会提供更好的结果。另一个有趣的例子是细菌外排泵(例如,5v5秒)可以穿过多个膜（见其着色PDBTM公司条目）。

OPM、PDBTM和MemProtMD资源也提供了自己的膜定向数据和可视化。用户可以访问这些外部资源以获取详细信息。

例子

PDB条目第3页6人类嵌合β的特征₂-肾上腺素能受体与G蛋白和纳米体的复合物。受体本身是一种嵌合分子（意味着在N末端有一种细菌蛋白与人类蛋白融合，以增加溶解性和稳定性）。然而，研究（和这里的讨论）的重点是具有跨膜螺旋的人类受体蛋白（见图1）。可以访问与膜关联相关的各种信息：

• 单击页面顶部膜蛋白行旁边的超链接“是”链接到结构摘要页面的注释选项卡，其中提供了标记的膜相关外部资源的其他详细信息（图3）。单击特定实体的Macromoles部分中的超链接“Yes”也会打开相同的Annotations选项卡（参见图2）。
• 单击任何带有外部资源名称的橙色框，将打开包含其他信息的特定资源页面。
• 点击结构图像下方的超链接单词“Predict Membrane”（预测膜）（见图5），打开一个标记了膜位置的专用3D可视化页面（图6）。

在结构摘要页面上，受体蛋白为实体4，并显示专用的“膜实体”属性（图2）。这表明该实体被OPM、PDBTM、MemProtMD或mpstruc注释为跨膜或膜相关。

单击Structure Summary页面顶部“Membrane Protein”行旁边的超链接“Yes”，指向Structure Summary页面的Annotations选项卡（图3）。该视图提供了当前膜蛋白注释（以及所有其他注释）的详细信息。

单击“结构摘要”页面上的“序列”选项卡并选择实体4，可以查看该实体的氨基酸序列，以及来自各种资源的残留水平注释。OPM和PDBTM的膜段注释包括分类蛋白质。

任何注释为膜蛋白的条目都包含一个链接，指向一个特殊的Mol*查看器，该查看器可以预测和可视化膜的位置和方向。点击结构缩略图下方的Predict membrane选项，可以可视化膜位置预测（图5）。请注意，链接将特定于所显示的程序集。使用顶部的箭头切换到另一个组件（如果适用）或非对称装置。

点击“预测膜”按钮打开所选不对称单元或生物组件的Mol*视图，并将ANVIL算法预测的膜方向可视化为两个半透明圆形平面段（见图6）。两个膜平面之间的空间表示膜的位置。氨基酸是根据其疏水性值着色。将鼠标悬停在单个残留物上，会在右下角报告其身份。在3D画布顶部的序列面板中高亮显示它。。单击“膜方向”组件以关注或隐藏膜视觉效果。

值得注意的是，这里显示的膜位置是一个预测，没有实验数据支持。对于不穿过膜层的单主题/外周蛋白和含有少于15个残基的微小结构，没有可用的预测。

工具书类

• Bittrich，S.、Rose，Y.、Segura，J.、Lowe，R.、Westbrook，J.D.、Duarte，J.M.和Burley，S.K.（2021年）。RCSB蛋白质数据库：改进了PDB中存档的膜蛋白结构的注释、搜索和可视化。生物信息学，btab813，doi:10.1093/生物信息学/btab813
• White，S.H.（2009）。膜蛋白的生物物理分离。《自然》，459.7245，344-346，doi:10.1038/性质08142.
• Newport，T.D.、Sansom，M.S.P.和Stansfeld，P.J.（2019年）。MemProtMD数据库：膜包埋蛋白质结构及其脂质相互作用的资源。核酸研究，47（D1），D390-D397，doi:10.1093/nar/gky1047.
• Lomize，M.A.、Pogozheva，I.D.、Joo，H.、Mosberg，H.I.和Lomise，A.L.（2012）。OPM数据库和PPM web服务器：用于定位膜中蛋白质的资源。核酸研究，40（D1），D370-D376，doi:10.1093/nar/gkr703.
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