摘要：铁蛋白由亚链组装成球形。我们发现，子链的数量一般为3、6、8、12、24、36，对应的球形体积（外径）也不同。本文利用PDB网站的蛋白质结构数据，通过计算分析，对25个铁蛋白的亚链数与外径的关系进行线性回归建模，但结果并不理想。为了改进模型，我们通过分子进化将25种蛋白质分为两组，然后建立线性模型。一组的相关系数为R 2 = 0.98。基于计算和建模，我们假设新的铁蛋白由3kx9定点诱变不再是24链，而是36链突变体。
表 1。OD 和 25 种铁蛋白的亚链数。
关键词
铁 蛋白,外径,链 数,序列 相似性,进化 树
一、简介
最近的研究结果使人们更加意识到只有一小部分蛋白质在分离时发挥作用，而现代细胞中的大多数可溶性和膜结合蛋白质是具有两条或更多条相同或非常相似链的对称寡聚复合物 [ 1 ] [ 2 ] . 有人认为，蛋白质复合物的进化具有几个潜在的优势，例如结构尺寸和多样性的增加，以及变构调节和蛋白质激活的机会增加 [ 3 ] [ 4 ]。在这些复合物中，通过病毒衣壳、穹窿、热休克和铁蛋白的自组装观察到笼状结构 [ 5] . 在本文中，我们专门研究了自然界中普遍存在的铁蛋白。
铁蛋白在铁的解毒和储备中起着关键作用，将多余的细胞铁以矿化水合氧化铁的形式储存在它们的空腔中。铁蛋白可以自组装成多亚基、纳米级笼。它们也很容易通过基因和化学修饰而受到影响，这在药物递送研究和纳米材料科学中引起了最近的关注 [ 6 ]。在我们之前的研究中，对铁蛋白 3kx9 的 N 端和 C 端的定点诱变导致自组装蛋白笼的体积增加 [ 7 ]。为了解释这一观察结果，我们将在本文中研究铁蛋白亚基的数量与其外径大小之间的关系。
2. 数据
该计算中涉及的所有蛋白质结构数据均来自 PDB [ 8 ] 网站 (http://www.rcsb.org/)。在该网站上，我们确定了所有与 PDB 提供的 3kx9 氨基酸序列具有 40% 以上相似性的蛋白质。我们共发现了 25 种这样的蛋白质，包括 3kx9。下载了每种蛋白质的 3D 结构文件（PDB 格式）和序列信息文件（fasta 格式）。
3.方法
在我们之前发表的论文[ 9 ]中，比较了两种计算方法的结果。由于计算量比较大，这里采用基于球心的方法。论文[ 9 ]还对两种方法的计算结果进行了比较。考虑到结果的可靠性，我们分别计算了距球心最大距离的80%、85%、90%、95%。将这些值的平均值乘以2作为外径。在获得外径数据后，我们使用线性回归建立了 25 铁蛋白外径与子链之间的关系。
4. 结果
25种铁蛋白的外径和亚链数见表1。
图 1显示了具有 6、8 和 24 个子链的铁蛋白的外径密度分布。
我们使用线性回归来建立 25 种铁蛋白的外径和子链数量之间的关系。图 2显示了线性回归的结果。
图2中，横坐标为子链数，纵坐标为对应的外径。相关系数R 2 = 0.6469，说明模型的性能非常有限。特别是，我们可以看到
| 蛋白质数 | 外径 | 子链数量 | 蛋白质数 | 外径 | 子链数量 |
| 1krq | 37.5 | 1 | 1z4a | 94.5 | 8 |
| 3qz3 | 55.5 | 3 | 5v5k | 85.5 | 8 |
| 1eum | 76.5 | 6 | 1s3q | 111.0 | 12 |
| 3bve | 76.5 | 6 | 1sq3 | 111.0 | 12 |
| 3bvf | 76.5 | 6 | 5c6f | 148.5 | 12 |
| 3bvi | 75.0 | 6 | 5ls9 | 111.0 | 12 |
| 3bvk | 76.5 | 6 | 5u1a | 133.5 | 12 |
| 3bvl | 76.5 | 6 | 2x17 | 109.5 | 24 |
| 3egm | 75.0 | 6 | 3kx9 | 109.5 | 24 |
| 4reu | 76.5 | 6 | 2jd6 | 153.0 | 36 |
| 4xgs | 76.5 | 6 | 2jd7 | 153.0 | 36 |
| 4ztt | 76.5 | 6 | 2jd8 | 153.0 | 36 |
| 1vlg | 82.5 | 8 |
表 1。OD 和 25 种铁蛋白的亚链数。
12 条子链的外径分布非常大，大约在 140 到 210 之间。另外，发现 24 条子链的外径明显低于模型的预期值。
5. 讨论
5.1。改善方法
我们发现所有 25 种铁蛋白都由相同序列的多条子链组成。我们使用 Maga [ 10 ] 软件为 25 种蛋白质的子链构建了系统发育树。结果如图3所示。
从图 3中，我们发现 25 种铁蛋白可以大致分为两组。下组包含11个蛋白质，对应的子链数为8、12、24、36。上组包含14个蛋白质，对应的子链数分别为1、3、6和12。显然，下组的外径比上组的大。两组均包含 12 条亚链，这就解释了为什么 12 条亚链的外径差异最大。
分别对上组和下组的亚链数和外径建立线性回归模型。结果如图4和图5所示。
图4中，R 2 = 0.7041，与图2相比有所提高。在图 5中，R 2 = 0.9834，这是完美的。
5.2. 氨基酸序列一致，子链数量不同的问题
我们发现 3kx9 和 1s3q 的序列是相同的，但是两个子链的数量不同。3kx9有24条子链，只有12条
(a)(b)(c)
图 1。外径密度分布。(a) 6 个子链；(b) 8 个子链；(c) 24 个子链。
图 2。外径与子链数量之间的关系。
1s3q 中的子链。这表明蛋白质自组装是一个复杂的动力学过程。在不同的条件下，相同的亚链序列可以产生具有不同子链数量的铁蛋白。
图 3。25 条铁蛋白链序列的进化树。
图 4。亚链外径与亚链数量的关系（进化树中较低的组，11个蛋白质）。
有趣的是，3kx9 的子链数量是 1s3q 的两倍，但两者的体积几乎相同。这是否意味着3kx9的氨基酸密度是1s3q的两倍？这个问题值得进一步探讨。
5.3. 突变体体积变大的问题
在他们的工作中，Williams 及其同事证明，来自饥饿细胞 (DPS) 的 DNA 结合蛋白中关键界面的突变会改变其组装
图 5。亚链外径与亚链数量之间的关系（进化树上的一组，14个蛋白质）。
图 6。36-mer 铁蛋白的尺寸分布曲线。
从典型的 12 聚体到结晶下的铁蛋白样 24 聚体 [ 11 ]。根据 36-mer 铁蛋白的尺寸分布曲线（图 6），铁蛋白 3kx9 定点诱变后直径从 12 到 18 d∙nm 的增加很可能是由于从 24-mer 结构转换到 36 人。如果这种推测可以用实验数据证实，它引入了相关蛋白质亚家族之间突变转换的新概念。
六，结论
在本文中，我们发现了铁蛋白亚基的数量和类型与外径大小之间的密切关系。根据进化关系将25个铁蛋白分为两组后，我们显着提高了模型的准确性，并显示两组中亚基数与铁蛋白外径之间存在强烈的正线性相关性，这为对铁蛋白的结构特征提供了新的认识。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
参考
[ 1 ] Goodsell, DS 和 Olson, AJ (2000) 结构对称性和蛋白质功能。生物物理学和生物分子结构年度回顾，29，105-153。
[ 2 ] Ponstingl, H.、Kabir, T.、Gorse, D. 和 Thornton, JM (2005) 寡聚蛋白结构的形态学方面。生物物理学和分子生物学进展，89, 9-35。
[ 3 ] Lynch, M. (2012) 多聚体蛋白质组合的演变。分子生物学进化，29，1353-1366。
[ 4 ] Hashimoto, K.、Nishi, H.、Bryant, S. 和 Panchenko, AR。(2011) 陷入自我相互作用：蛋白质同源寡聚化的进化和功能机制。物理生物学，8，文章 ID：035007。
[ 5 ] Zhang, Y. 和 Orner, BP (2011) 铁蛋白纳米笼蛋白超家族中的自组装。国际分子科学杂志，12, 5406-5421。
[ 6 ] Ghirlando, R.、Mutskova, R. 和 Schwartz, C. (2016) 纳米材料应用中铁蛋白的富集和表征。纳米技术，27，文章 ID：045102。
[ 7 ] Zhao, X. 和 Cai X. (2018) 野生型和突变铁蛋白 N 端和 C 端的定点诱变。
[ 8 ] 数据库。http://www.rcsb.org/
[ 9 ] Zhao, X. 和 Gao, J. (2018) 计算铁蛋白外径尺寸分布的两种方法。计算分子生物科学，8，115-121。