Journal of the Korean Data and Information Science Society
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v.15
no.4
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pp.1019-1031
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2004
This paper describes a new modeling method for the prediction of transmembrane protein topology. The structural regions of the transmembrane protein have been modeled by means of a multiple state hidden Markov model that has provided for the detailed modeling of the heterogeneous amino acid distributions of each structural region. Grammatical constraints have been incorporated to the prediction method in order to capture the biological order of membrane protein topology. The proposed method correctly predicted 76% of all membrane spanning regions and 92% sidedness of the integration when all membrane spanning regions were found correctly.
Membrane proteins play important roles in the biology of the cell, including intercellular communication and molecular transport. Their well-established importance notwithstanding, the high-resolution structures of membrane proteins remain elusive due to difficulties in protein expression, purification and crystallization. Thus, accurate prediction of membrane protein topology can increase the understanding of membrane protein function. Here, we provide a brief review of the diverse computational methods for predicting membrane protein structure and function, including recent progress and essential bioinformatics tools. Our hope is that this review will be instructive to users studying membrane protein biology in their choice of appropriate bioinformatics methods.
Membrane topology is a key characteristic of membrane proteins. We previously reported the cloning of the chromosome 4 open-reading frame 32 (C4orf32) gene as a potential membrane protein; however, the cellular localization and membrane topology of C4orf32 was as yet unknown. In this study, we found that green fluorescent protein (GFP) fused to the C-terminus of C4orf32 (C4orf32-GFP) was localized to the endoplasmic reticulum (ER). We applied three tools to identify determinants of C4orf32 topology: protease protection, fluorescence protease protection (FPP), and an inducible system using the ternary complex between FK506 binding protein 12 (FKBP), rapamycin, and the rapamycin-binding domain of mTOR (FRB) (the FRB-rapamycin-FKBP system). Using protease protection and FPP assays, we found that the GFP tag in C4orf32-GFP was localized to the cytoplasmic surface of the ER membrane of HeLa cells. Protease protection and FPP assays are useful and complimentary tools for identifying the topology of GFP fusion membrane proteins. The FRB-rapamycin-FKBP system was also used to study the topology of C4orf32. In the absence of rapamycin, a monomeric red fluorescent protein-FKBP fusion (mRFP-FKBP) and C4orf32-GFP-FRB were localized to the cytoplasm and the ER membrane, respectively. However, in the presence of rapamycin, the mRFP-FKBP was shifted from the cytoplasm to the ER and colocalized with the C4orf32-GFP-FRB. These results indicate that the FRB moiety is facing the cytoplasmic surface of ER membrane. Overall, our results clearly suggest that C4orf32 belongs to the family of type I ER resident membrane proteins.
In this article, we show that the orf slr1471 from Synechocystis sp. PCC 6803 codes for a functional member of the YidC/Alb3/Oxa1 protein family, and the encoded protein has a transmembrane topology with a common core structure. Using specific antibodies raised against the Synechocystis YidC homologous protein, we further show that the Synechocystis YidC protein appears to be predominantly localized in the cyanobacterial cytoplasmic membrane. The impact of the described findings for synthesis of membrane proteins and for protein sorting within cyanobacterial cells is discussed.
Cell membrane proteins play crucial roles in the cell's molecular interaction with its environment and within itself. They consist of membrane-bound proteins and many types of transmembrane (TM) proteins such as receptors, transporters, channel proteins, and enzymes. Membrane proteomes of cellular organisms reveal some characteristics in their global topological distribution according to their evolutionary positions, and show their own information transfer complexity. Predicted transmembrane segments (TMSs) in membrane proteomes with HMMTOP showed near power-law distribution and frequency characteristics in 6-TMS and 7-TMS proteins in prokaryotes and eukaryotes, respectively. This reaffirms the important roles of membrane receptors in cellular communication and biological evolutionary history.
Transmembrane 4 L six family member 5 (TM4SF5), as a membrane glycoprotein with 4 transmembrane domains, is similar to the tetraspanins in terms of membrane topology and plays important roles in tumorigenesis and tumor metastasis. Especially, TM4SF5 appears to form a massive protein-protein complex consisting of diverse membrane proteins and/or receptors in addition to cytosolic signaling molecules to regulate their signaling activities during the pathological processes. TM4SF5 is shown to interact with integrins ${\alpha}2$, ${\alpha}5$, and ${\beta}1$, EGFR, IL6R, CD151, focal adhesion kinase (FAK), and c-Src. This review focuses on the significance of the interactions with regards to TM4SF5-positive tumorigenesis and metastasis.
The enzymatic properties for NADPH-P450 reductase domain of a fusion protein between human cytochrome P450 1A1 and rat NADPH-P450 reductase expressed in Escherichia coli were investigated. The fusion plasmid pCW/1A1OR-expressed E. coli membrane showed high NADPH-cytochrome c reductase activity ($830.1\pm 85.8 nmol\cdot min^{-1}\cdot mg protein^{-1}$), while pCW control vector and P 450 1A1 expression vector pCW/1A1 showed relatively quite low activity ($4.35\pm 0.49, 3.27\pm 0.50 nmol\cdot min^{-1}\cdot mg protein^{-1}$, respectively). The kinetic curves for NADPH-cytochrome c reductase followed typical Michaelis-Menten kinetics. The $K_{max}$ and $V_{max}$ for NADPH-dependent reductase activity were $8.24\pm 2.61\mu $and $817.9\pm 60.8 nmol\cdot min^{-1}\cdot mg protein^{-1}$, respectively, whereas those for cytochrome c-dependent reductase activity were $19.97\pm 2.86\mu M$ and $1303.5\pm 67.1 nmol\cdot min^{-1}\cdot mg protein^{-1}$. The reductase activities were also compared with those of rat, porcine and human liver microsomes. The activity of pCW/ 1A1OR-expressed E. coli membrane was 15.2-fold higher than that of rat liver microsome. Treatment with benzo(a)pyrene, 7-ethoxyresorufin and $\alpha$-naphthofiavone which are known as specific substrates or inhibitor for human P450 1A1 increased NADPH-cytochrome c reductase activity of fusion protein in E. coli membrane dose-dependently. These results demonstrate that the membrane topology of fused enzyme may be important for activity of its NADPH-P450 reductase domain.
The topology of the enzyme has been investigated by biochemical studies including chemical labeling and cross linking. Thirteen subunits(polypeptides) of the cytochrome-c-oxidase have localistic characteristics of existing in the matrix side or cytoplasmic side in the mitochondria. In order to observe the distribution of the enzyme subunit on the mitochondria membrane, immunogold-labeling methods were employed. Antibody was obtained from the serum of immunized rabbit with enzyme subunit antigen which was obtained from cytochrome-c-oxidase of the beef heart muscle mitochondria. Beef heart muscle tissue as a tissue antigen was stained with immunized rabbit IgG and protein A gold complex. Electron microscopy has identified the existance of cytochrome-c-oxidase subunit $Mt_I,\;Mt_{II}\;and\;Mt_{III}$ on the membrane of cristae and outer chamber of mitochondria and the subunit $C_{IV}$ on the membrane of cristae and matrix of mitochondria. Particularly, the subunit $C_{IV}$ was also observed to exist in the sarcoplasm of muscle tissue.
Kim, Kyung-Woon;Kim, Kyoung-Sook;Kim, Cheorl-Ho;Kim, June-Ki;Lee, Young-Choon
BMB Reports
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v.32
no.4
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pp.409-413
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1999
The cDNA encoding CMP-NeuAc:lactosylceramide ${\alpha}2$,3-sialyltransferase (GM3 synthase) was isolated from a human fetal brain cDNA library using sequence information obtained from amino acid sequences found in the conserved regions of the previously-cloned mouse GM3 synthase (mST3Gal V) and human sialyltransferases. The cDNA sequence included an open reading frame coding for 362 amino acids, and the primary structure of this enzyme predicted all the structural features characteristic of other sialyltransferases, including a type II membrane protein topology and both sialylmotifs. Comparative analysis of this cDNA with mST3Gal V showed 85% and 86% identity of the nucleotide and amino acid residues, respectively. The expression of this gene is highly restricted in both human fetal and adult tissues.
The sudden appearance and potential lethality of severe acute respiratory syndrome (SARS)-associated coronavirus (SARS-CoV) in humans has resulted in a focusing of new attention on the determination of both its origins and evolution. The relationship existing between SARS-CoV and other groups of coronaviruses was determined via analyses of phylogenetic trees and comparative genomic analyses of the coronavirus genes: polymerase (Orflab), spike (S), envelope (E), membrane (M) and nucleocapsid (N). Although the coronaviruses are traditionally classed into 3 groups, with SARS-CoV forming a $4^{th}$ group, the phylogenetic position and origins of SARS-CoV remain a matter of some controversy. Thus, we conducted extensive phylogeneitc analyses of the genes common to all coronavirus groups, using the Neighbor-joining, Maximum-likelihood, and Bayesian methods. Our data evidenced largely identical topology for all of the obtained phylogenetic trees, thus supporting the hypothesis that the relationship existing between SARS-CoV and group 2 coronavirus is a monophyletic one. Additional comparative genomic studies, including sequence similarity and protein secondary structure analyses, suggested that SARS-Co V may bear a closer relationship with group 2 than with the other coronavirus groups. Although our data strongly suggest that group 2 coronaviruses are most closely related with SARS-CoV, further and more detailed analyses may provide us with an increased amount of information regarding the origins and evolution of the coronaviruses, most notably SARS-CoV.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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