Membranproteine der Plasmamembran: Topologie-Vorhersage:

Eine gute Einführung zu Membranproteinen und deren strukturelle Organisation findet sich im Kurs "Principles of Protein Structure Using the Internet" an der Birkbeck-University of London.

Im Gegensatz zu Außenmembranproteinen, deren membranspannender Bereich von β-Faltblättern gebildet wird (Koebnik et al., 2000), durchquert die Polypeptidkette von Plasmamembranproteinen die Membran in Form von α-Helices.

Die folgenden Webseiten erlauben eine Vorhersage der Membrantopologie von Proteinen der Plasmamembran.

Insbesondere im Labor von Gunnar von Heijne wurden Algorithmen zur Topologievorhersage von Membranproteinen entwickelt und die entsprechenden Regeln experimentell getestet. Alle Algorithmen basieren auf der Beobachtung, dass sich die Aminosäurezusammensetzungen der Loop-Regionen außerhalb der Membran signifikant voneinander unterscheiden, je nachdem, ob sie sich im Cytoplasma oder außerhalb des Cytoplasmas befinden. Dabei ist festzustellen, dass insbesondere die positiv geladenen Aminosäuren Arginin und Lysin als Diskriminatoren fungieren, was durch die "positive-inside rule" zum Ausdruck kommt (von Heijne and Gavel, 1988).

• TopPred 2
  Gunnar von Heijne (1992)
  Membrane protein structure prediction, hydrophobicity analysis and the positive-inside rule
  J. Mol. Biol. 225: 487-494

• TMpred
  K. Hofmann and W. Stoffel (1993)
  TMbase - A database of membrane spanning proteins segments
  Biol. Chem. Hoppe-Seyler 347: 166 ff

• SPLIT
• SPLIT 4.0
  D. Juretic, B. Lee, N. Trinajstic, and R.W. Williams (1993)
  Conformational preference functions for predicting helices in membrane proteins
  Biopolymers 33: 255-273

• MEMSAT
  D.T. Jones, W.R. Taylor, and J.M. Thornton (1994)
  A model recognition approach to the prediction of all-helical membrane protein structure and topology
  Biochemistry 33: 3038-3049

• TMAP, basierend auf einer einzelnen Sequenz
• TMAP, basierend auf einem multiplen Sequenzalignment
  B. Persson and P. Argos (1994)
  Prediction of transmembrane segments in proteins utilising multiple sequence alignments
  J. Mol. Biol. 237 (2) 182-192
  und
  B. Persson and P. Argos (1996)
  Topology prediction of membrane proteins
  Protein Sci. 5 (2) 363-371

• TMHMM 1.0
  Erik L.L. Sonnhammer, Gunnar von Heijne, and Anders Krogh (1998)
  A hidden Markov model for predicting transmembrane helices in protein sequences
  In Proc. of Sixth Int. Conf. on Intelligent Systems for Molecular Biology, p 175-182 Ed J. Glasgow, T. Littlejohn, F. Major, R. Lathrop, D. Sankoff, and C. Sensen Menlo Park, CA: AAAI Press, 1998
  Einführung

• TMHMM 2.0
  Anders Krogh, B. Larsson, Gunnar von Heijne, and Erik L.L. Sonnhammer (2001)
  Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes
  J. Mol. Biol. 305 (3) 567-580
  Einführung

• HMMTOP 1.1
  Gabor E. Tusnády and Istvan Simon (1998)
  Principles governing amino acid composition of integral membrane proteins: Applications to topology prediction
  J. Mol. Biol. 283: 489-506

• HMMTOP 2.0
  Gabor E. Tusnády and Istvan Simon (2001)
  The HMMTOP transmembrane topology prediction server
  Bioinformatics 17: 849-850

• PRED-TMR 1.0
  Claude Pasquier, V.J. Promponas, G.A. Palaios, J.S. Hamodrakas, and Stavros J. Hamodrakas (1999)
  A novel method for predicting transmembrane segments in proteins based on a statistical analysis of the SwissProt database: the PRED-TMR algorithm
  Protein Eng. 12: 381-385

• PRED-TMR 2.0
  Claude Pasquier and Stavros J. Hamodrakas (1999)
  An hierarchical artificial neural network system for the classification of transmembrane proteins
  Protein Eng. 12: 631-634

• OrienTM
  Theodore D. Liakopoulos, Claude Pasquier, and Stavros J. Hamodrakas (2001)
  A novel tool for the prediction of transmembrane protein topology based on a statistical analysis of the SwissProt database: the OrienTM algorithm
  Protein Eng. 14: 387-390

• TM Finder (Login)
  Charles M. Deber, Chen Wang, Li-Ping Liu, Andrew S. Prior, Shuchi Agrawal, Brenda L. Muskat, and A. Jamie Cuticchia (2001)
  TM Finder: a prediction program for transmembrane protein segments using a combination of hydrophobicity and nonpolar phase helicity scales
  Protein Sci. 10: 212-219

• MPEx
  Sajith Jayasinghe, Kalina Hristova, and Stephen H. White (2001)
  Energetics, stability, and prediction of transmembrane helices
  J. Mol. Biol. 312: 927-934

• Phobius
  Lukas Käll, Anders Krogh, and Erik L. Sonnhammer (2004)
  A combined transmembrane topology and signal peptide prediction method
  J. Mol. Biol. 338: 1027-1036

• PRODIV-TMHMM, PRO-TMHMM, and S-TMHMM
  Håkan Viklund and Arne Elofsson (2004)
  Best α-helical transmembrane protein topology predictions are achieved using hidden Markov models and evolutionary information
  Protein Sci. 13: 1908-1917

• PolyPhobius
  Lukas Käll, Anders Krogh, and Erik L. Sonnhammer (2005)
  An HMM posterior decoder for sequence feature prediction that includes homology information
  Bioinformatics 21: i251-i257

Vergleich von Membranprotein-Vorhersagealgorithmen:
• Miklos Cserzo, Erik Wallin, Istvan Simon, Gunnar von Heijne, and Arne Elofsson (1997)
  Prediction of transmembrane alpha-helices in prokaryotic membrane proteins: the dense alignment surface method
  Protein Eng. 10: 673-676

• Johan Nilsson, Bengt Persson, and Gunnar von Heijne (2000)
  Consensus prediction of membrane protein topology
  FEBS Lett. 486: 267-269

• S. Möller, M.D. Croning, and R. Apweiler (2001)
  Evaluation of methods for the prediction of membrane spanning regions
  Bioinformatics 17: 646-653

• Gabor E. Tusnady and Istvan Simon (2001)
  Topology of membrane proteins
  J. Chem. Inf. Comput. Sci. 41: 364-368

• Chien Peter Chen and Burkhard Rost (2002)
  State-of-the-art in membrane protein prediction
  Applied Bioinformatics 1: 21-35

• Chien Peter Chen, Andrew Kernytsky, and Burkhard Rost (2002)
  Transmembrane helix predictions revisited
  Protein Science 11: 2774-2791

• Chien Peter Chen and Burkhard Rost (2002)
  Long membrane helices and short loops predicted less accurately
  Protein Science 11: 2766-2773

• Masami Ikeda, Masafumi Arai, Demelo M. Lao, and Toshio Shimizu (2002)
  Transmembrane topology prediction methods: a re-assessment and improvement by a consensus method using a dataset of experimentally-characterized transmembrane topologies
  In Silico Biol. 2: 19-33

• K. Melen, A. Krogh, and G. von Heijne (2003)
  Reliability measures for membrane protein topology prediction algorithms
  J. Mol. Biol. 327: 735-744

Statistik von Transmembrangängen:
• Alessandro Senes, Mark Gerstein and Donald M. Engelman (2000)
  Statistical analysis of amino acid patterns in transmembrane helices: the GxxxG motif occurs frequently and in association with beta-branched residues at neighboring positions
  J. Mol. Biol. 296: 921-936

Membranproteine der Plasmamembran: Helix-Packung:

Der Faltungsprozess von Proteinen der Plasmamembran wird durch das Zwei-Stufen-Modell beschrieben, das von Popot und Engelman vorgeschlagen wurde (Popot and Engelman, 1990): Im ersten Schritt formen sich die membranspannenden α-Helices, die sich anschließend in einem zweiten Schritt innerhalb der Membranebene aneinanderlagern. Im Labor von Donald M. Engelman wurden zahlreichen Experimente und Simulationen durchgeführt, um dieses Konzept zu untersuchen. Als Modellpeptide dienten die Transmembran-Helices von Glycophorin A und Phospholamban. Ähnliche Arbeiten wurden im Labor von Dieter Langosch durchgeführt. Eine Übersichtsarbeit zu dieser Thematik findet sich in der folgenden Referenz:

• Gregg R. Dieckmann and William F. DeGrado (1997)
  Modeling transmembrane helical oligomers
  Curr. Opin. Structural. Biol. 7: 486-494

  Am Weizmann-Institut in Israel wurde ein Programm, kPROT (knowledged-based scale for the Propensity of Residue Orientation in Transmembrane segments), geschrieben, mit dem auf Grundlage statistischer Analysen die Orientierung von Transmembran-Helices vorhergesagt werden kann:

• Yitzhak Pilpel, Nir Ben-Tal, and Doron Lancet (1999)
  kPROT: a knowledge-based scale for the propensity of residue orientation in transmembrane segments. Application to membrane protein structure prediction
  J. Mol. Biol. 294: 921-935

  Ein weitaus ausgefeilteres Programm, das jedoch nicht als Webversion zur Verfügung steht, basiert auf dem Ansatz des simulierten Annealings:

• Rohit V. Pappu, Garland R. Marshall, and Jay W. Ponder (1999)
  A potential smoothing algorithm accurately predicts transmembrane helix packing
  Nat. Struct. Biol. 6: 50-55

Membranprotein-Datenbanken:
• TMbase: Membranprotein-Datenbank am EMBnet (Schweiz)

• Zusammenstellung von Membranproteinen in einer Membranprotein-Datenbank an der Universität von Tokio (Japan) (OUTDATED)

• Zusammenstellung gut charakterisierter Membranproteine (available via FTP)
  Steffen Möller, Evgenia V. Kriventseva, and Rolf Apweiler (2000)
  A collection of well characterised integral membrane proteins
  Bioinformatics 16: 1159-1160

• MPtopo-Datenbank
  Sajith Jayasinghe, Kalina Hristova, and Stephen H. White (2001)
  MPtopo: A database of membrane protein topology
  Protein Sci. 10: 455-458

• DOLOP (Database Of bacterial LipOProteins)
  M. Madan Babu and K. Sankaran (2002)
  DOLOP—database of bacterial lipoproteins
  Bioinformatics 18: 641-643

• TMPDB-Datenbank
  Masami Ikeda, Masafumi Arai, Toshikatsu Okuno, and Toshio Shimizu (2003)
  TMPDB: a database of experimentally-characterized transmembrane topologies
  Nucleic Acids Res. 31: 406-409

• PDB_TM-Datenbank
  GáborTusnády, ZsuzsannaDosztányi, and István Simon (2004)
  Transmembrane proteins in the Protein Data Bank: identification and classification
  Bioinformatics 20: 406-409

Weitere Internet-Ressourcen:
• RbDe: Residue-based Diagram editor - Online construction of topology models of alpha-helical transmembrane proteins
  K. Konvicka, F. Campagne, and H. Weinstein (2000)
  Interactive construction of residue-based diagrams of proteins: the RbDe web service
  Protein Eng. 13: 395-396

• CoPreTHi: Combined Prediction of Transmembrane Helices
  (1999)
  CoPreTHi: a Web tool which combines transmembrane protein segment prediction methods
  In Silico Biol. 1: 159-162

Beispielsequenzen:

• Aminosäuresequenz-Datenbank via Entrez

• Bacteriorhodopsin von Halobacterium salinarium: 7 Helix-Bündel-Protein
• LacY: Lactose-Permease von Escherichia coli
• MalF: Untereinheit der Maltose-Permease von Escherichia coli
• MalG: Untereinheit der Maltose-Permease von Escherichia coli
• TonB von Escherichia coli: Protein mit N-terminaler Transmembran-Helix
• TolA von Escherichia coli: Protein mit N-terminaler Transmembran-Helix

• HrcT (HrpB8) von Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
• HrcU (HrpC1) von Xanthomonas campestris pv. glycines
• HrcV (HrpC2) von Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
• HrcQ (HrpD1) von Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
• HrcR (HrpD2) von Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
• HrcS (HrpD3) von Xanthomonas campestris pv. vesicatoria

Beispiel eines multiplen Alignments:
• Multiples Alignment des N-terminalen Membranankers von TolA und TonB (Koebnik et al., 1993):

  IIISAVLHVILFAALIWSSFD   TolA (Escherichia coli) 
  LAFSVGIHGSVIAALLYVSGR   TonB (Yersinia enterocolitica)
  FVLSVGLHSALVAGLLYASVK   TonB (Serratia marcescens)
  TLLSVGIHGAVVAGLLYTSVH   TonB (Salmonella typhimurium)
  TLLSVCIHGAVVAGLLYTSVH   TonB (Escherichia coli)
  

• Beispiel eines multiplen Alignments im MSF-Format

Weitere Referenzen

Letzte Aktualisierung: 12. Dezember 2005

Ralf Koebnik
Institut für Genetik
Abt. Pflanzengenetik
Weinbergweg 10
06120 Halle/Saale
Telefon: 0345 / 55 26 293 (Büro) bzw. 296 (Labor)
Fax: 0345 / 55 27 151
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Please replace (at) by @.