Structural Classification of Proteins database

Baza danych SCOP (Structural Classification of Protein Database) zawiera przestrzenne struktury białkowe uporządkowane na podstawie zależności ewolucyjnych i strukturalnych białek. Opiera się w dużej mierze na ręcznej klasyfikacja strukturalnych domen białkowych w oparciu o podobieństwa ich struktur i sekwencji aminokwasowych. Jest dostępna w internecie do darmowego użytku^[1].

Baza została założona w 1994 roku przez Alexeya G. Murzina i współpracowników na Laboratorium Biologii Molekularnej i Centrum Inżynierii Białek, przy MRC (Medical Research Council) w Wielkiej Brytanii^[2]. Od 2010 roku baza SCOP została przejęta w całości przez Laboratorium Biologii Molekularnej w Cambridge, aż do jej oficjalnego zamknięcia w roku 2014. Ostatnia oficjalna wersja SCOP, dostępna obecnie, to 1.75 wydana w czerwcu 2009.^[3][4][5]

Prototyp nowej bazy danych: SCOP2 (Structural Classification of Protein 2) jest dostępny publicznie od 2014 roku z ostatnią wersją z grudnia 2016 roku. SCOP2 klasyfikuje białka inaczej niż SCOP zachowując jednak najlepsze cechy poprzedniej wersji^[1][6].

SCOP jest bazą hierarchiczną. Podstawową jednostką klasyfikacji jest domena. Małe i średnie białka składają się zazwyczaj z jednej domeny, podczas klasyfikacji cząsteczki takie są więc traktowane całościowo^[7]. Większe struktury są natomiast dzielone na mniejsze domeny, które później klasyfikuje się oddzielnie. Na przykład białko hemoglobiny o strukturze alfa2beta2, w bazie SCOP ma przypisane dwie domeny: jedną dla podjednostek alfa i drugą dla podjednostek beta^[8].

Struktura, sekwencja oraz relacje funkcjonalno-strukturalne pomiędzy domenami, wpływają na klasyfikację domen na różnych poziomach hierarchii. Reguły grupowania białek są zmienne na poszczególnych poziomach hierarchii, od funkcjonalno-strukturalnych do czysto strukturalnych. Modele struktur białkowych pochodzą z PDB (Protein Data Bank)^[9].

Poziomy hierarchii SCOP:

1. Class (klasy): Najwyższy poziom hierarchii zawierający powiązane ze sobą zwoje, klasyfikowane na podstawie zawartych struktur drugorzędowych.
2. Folds (zwoje): Strukturalnie podobne rodziny białek, bez uwzględnienia pokrewieństwa ewolucyjnego.
3. Superfamily (nadrodzina): Zgrupowanie rodzin białek o podobnych cechach strukturalnych i funkcjonalnych pochodzących od wspólnego przodka.
4. Family (rodzina): Zawiera białka o podobnej sekwencji ale niekoniecznie tej samej funkcji biologicznej.
5. Protein (białko): Zbiór podobnych sekwencji pełniących te same funkcje biologiczne.
6. Species (gatunek): Pojedyncze sekwencje białkowe pogrupowane według gatunków.

Rodziny w SCOP mają przypisany zwięzły ciąg klasyfikacji, sccs, gdzie pierwsza litera ciągu oznacza klasę, a każda następująca po sobie cyfra identyfikuje po kolei: zwój, nadrodzinę i rodzinę. Na przykład rodzina Globin posiada kod: A.1.1.2.^[1][10]

Powiązane ze sobą zwoje, tworzą klasy hierarchii. Na podstawie struktur drugorzędowych wyodrębniono w bazie SCOP 11 klas białek.

7 klas to klasy podstawowe:

1. All alpha – białka zawierają głównie struktury alfa helisy.
2. All beta – białka zawierają głównie struktury beta kartki.
3. Alpha and beta – białka zawierają naprzemienne struktury alfa helisy i beta kartki tworzące zazwyczaj równoległe beta kartki.
4. Alpha plus beta – białka zawierają struktury alfa helisy i beta kartki występują oddzielnie, głównie antyrównoległe beta kartki.
5. Multi domain – białka zawierają dwie lub więcej domen należących do różnych klas.
6. Membrane and cell surface proteins – białka błonowe i związane z powierzchnią komórki, z pominięciem białek układu odpornościowego.
7. Small proteins – małe białka, głównie zawierające ligandy jonów metali, hem i/lub mostki dwu-siarczkowe.

Pozostałe 4 klasy zawierają modele teoretyczne i struktury kwasów nukleinowych:

1. Coiled-coil proteins – białka zwojowe.
2. Low resolution protein structures – Struktury białkowe o niskiej rozdzielczości, głównie fragmenty białek.
3. Peptides – Peptydy.
4. Designed proteins – Białka zaprojektowane, eksperymentalne struktury białkowe o zasadniczo nienaturalnych sekwencjach.

Podział na główne klasy białek w bazie danych SCOP (luty 2009)^[11]

Klasa białek	Liczba zwojów	Liczba nadrodzin	Liczba rodzin
All alpha	284	507	871
All beta	174	354	742
Alpha and beta (a/b)	147	244	803
Alpha and beta (a+b)	376	552	1055
Multi-domain	66	66	89
Membrane and cell surface proteins	58	110	123
Small proteins	90	129	219
Suma	1195	1962	3902

Każda klasa białek zawiera w sobie pewną liczbę rozróżnialnych zwojów. Poziom ten zawiera podobne strukturalnie rodziny białek, w których główne elementy struktury drugorzędowej i trzeciorzędowej są uporządkowane w ten sam sposób. Białka należące do danego zwoju nie muszą być ze sobą spokrewnione ewolucyjnie^[1].

Na przykład klasa "All alpha" zawiera ponad 280 rozróżnialnych zwojów, w tym: globino-podobne, długie alfa-szpilki i domeny dokerów typu I.

Domeny w obrębie zwoju klasyfikowane są w nadrodziny. Jest to największe zgrupowanie spokrewnionych ze sobą białek. Podobieństwa sekwencji wewnątrz nadrodziny są niskie, lecz podobieństwa strukturalne są wystarczające, do wskazania pokrewieństwa ewolucyjnego, a zatem istnienia (odległego) wspólnego przodka^[1].

Na przykład, dwie nadrodziny zwoju białek globino-podobnych to: nadrodzina globin i nadrodzina alfa-helikalnych ferredoksyn.

Domeny w obrębie nadrodziny klasyfikowane są w rodziny. Białka umieszcza się w tej samej rodzinie, jeśli mają powyżej 30% identyczności sekwencji, lub mniejszą (np. 15%) lecz wykonują tę samą funkcję biologiczną. Do klasyfikowania domen w rodziny i nadrodziny służą narzędzia takie jak BLAST.

Na przykład, cztery rodziny w nadrodzinie globin to: skrócone hemoglobiny (brak pierwszej helisy), mini-hemoglobiny tkanki nerwowej (brak pierwszej helisy, ale bardziej podobna do globin konwencjonalnych), globiny (białka wiążące hem) i fikocyjano-podobne białka fikobilisomy (oligomery dwóch różnych typów globino-podobnych domen zawierających dwie dodatkowe helisy na N-końcu wiążące chromofor biliny).

Po wpisaniu w oknie wyszukiwania^[12] zagadnienia "trypsyna +człowiek" (po angielsku) jako jeden z wyników otrzymamy (po angielsku):^[13]

1. Root: scop
2. Klasa: Białka "All beta" [48724]
3. Zwój: Trypsyno-podobne proteazy serynowe [50493] beczka, zamknięta; n = 6, S = 8; grecki klucz zduplikowane: składa się z dwóch domen tego samego zwoju
4. Nadrodzina: Trypsyno-podobne proteazy serynowe [50494]
5. Rodzina: Proteazy eukariotyczne [50514]
6. Białko: Trypsyna (ogen) [50515]
7. Gatunek: Człowiek (Homo sapiens) [TaxId: 9606] [50519]

Po wpisaniu w oknie wyszukiwania^[12] zagadnienia "Hemoglobin +człowiek" (po angielsku) jako jeden z wyników otrzymamy (po angielsku):^[14]

1. Root: scop
2. Klasa: Białka "All beta" [46456]
3. Zwój: Globino-podobne [46457] rdzeń: 6 helis; złożony liść, częściowo otwarty.
4. Nadrodzina: Globin-like [46458]
5. Rodzina: Globiny [46463] Białka wiążące hem
6. Białko: Hemoglobina, podjednostka alfa [46486]
7. Gatunek: Człowiek (Homo sapiens) [TaxId: 9606] [46487]

Prototypowy system klasyfikacji SCOP2 ma za zadanie przywiązywać większą uwagę do ewolucyjnej złożoności pochodzenia struktury białka. W przeciwieństwie do SCOP nie posiada więc prostej hierarchii lecz sieć powiązań między nadrodzinami białek, reprezentując ich relacje strukturalne i ewolucyjne. Przykłady takich powiązań strukturalno-ewolucyjnych to: permutacje kołowe, fuzje domen i zanikanie domen. W związku z tym między domenami nie ma ściśle określonych granic, są raczej definiowane przez swoje relacje z najbardziej podobnymi do siebie strukturami. Od lutego 2015 prototyp SCOP2 klasyfikuje 995 wpisów PDB^[15].