Vom Gen zum Protein
Ein Gen besteht aus vier verschiedenen Buchstaben, ein Protein aus zwanzig verschiedenen Bausteinen. Übersetzt wird das vom Ribosom, immer drei Buchstaben auf einmal. Du kannst einzelne Buchstaben ändern und sehen, was das für das Hämoglobin bedeutet, bis hin zum gefalteten Protein von AlphaFold.
Gefaltet: die Vorhersage von AlphaFold
Was steckt dahinter?
Die DNA eines Gens wird zuerst in Boten-RNA kopiert. Das heißt Transkription, und dabei wird aus jedem T ein U. Das Ribosom liest diese Kopie dann in Dreierschritten, also Codon für Codon, und für jedes Codon bringt eine Transfer-RNA die passende Aminosäure. Das nennt man Translation. Mit vier Buchstaben gibt es 64 mögliche Codons, aber nur 20 Aminosäuren plus Stopp. Die meisten Aminosäuren haben deshalb mehrere Codons, und viele Mutationen an der dritten Stelle eines Codons ändern gar nichts. Die Code-Sonne zeigt den Standardcode wie in der NCBI-Übersetzungstabelle 1, man liest sie von innen nach außen.
Die Aminosäurekette bleibt aber nicht einfach eine lange Kette. Sie faltet sich in eine feste 3D-Form, und diese Form entscheidet, was das Protein kann. Die Form allein aus der Sequenz vorherzusagen war jahrzehntelang ein großes offenes Problem, bis AlphaFold (Jumper et al., 2021) es für einen großen Teil der Proteine hinbekommen hat. Das Modell in diesem Experiment ist die AlphaFold-Vorhersage für menschliches Hämoglobin β aus der AlphaFold-Datenbank. Die Farben zeigen, wie sicher sich AlphaFold bei jedem Abschnitt ist, gemessen als pLDDT. Über 90 sind Rückgrat und Seitenketten meistens sehr genau, über 70 stimmt meistens zumindest das Rückgrat. Unter 50 ist die Stelle oft beweglich, oder AlphaFold hatte einfach zu wenig Information.
Gut zu wissen
- AlphaFold rechnet hier nicht live mit. Das 3D-Modell ist die fertige Vorhersage für das normale Protein, eine Mutation wird darauf nur markiert und die Form nicht neu berechnet.
- Vereinfacht ist, dass echte Gene Introns haben, die erst aus der RNA herausgeschnitten werden (Spleißen), und dass das Gen hier direkt am Startcodon beginnt. Das Band zeigt die kodierende Sequenz von HBB also schon zusammengesetzt.
- Zur Zählung: Vom Startcodon an gezählt ist die Sichelzell-Stelle Codon 7. In der Klinik heißt sie meistens Position 6 (Glu6Val), weil man dort traditionell ohne das Start-Methionin zählt.
- Hämoglobin im Blut besteht aus vier Ketten, zwei α- und zwei β-Ketten. Das Modell zeigt nur eine einzelne β-Kette.
Quellen
- NCBI RefSeq NM_000518.5, HBB (kodierende Sequenz, 444 Basen); NCBI Genetic Codes, Übersetzungstabelle 1 (Standardcode)
- UniProt P68871 (HBB_HUMAN), CC BY 4.0 (Varianten Hb S und Hb C, Beschreibung der Sichelzellkrankheit)
- AlphaFold DB AF-P68871-F1, model v6, CC BY 4.0. Jumper, J. et al. (2021). Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature, 596(7873), 583–589. doi:10.1038/s41586-021-03819-2
- Varadi, M. et al. (2022). AlphaFold Protein Structure Database: massively expanding the structural coverage of protein-sequence space with high-accuracy models. Nucleic Acids Research, 50(D1), D439–D444. doi:10.1093/nar/gkab1061
- EMBL-EBI Training, AlphaFold: “pLDDT: Understanding local confidence” (was die Konfidenzstufen bedeuten)