使用SignalP对蛋白序列进行信号肽预测

1. 信号肽简介

信号肽是蛋白质N-末端一段编码长度为5-30的疏水性氨基酸序列,用于引导新合成蛋白质向通路转移的短肽链。信号肽存在于分泌蛋白、跨膜蛋白和真核生物细胞器内的蛋白中。

信号肽指引蛋白质转移的方式有两种:(1)常规的分泌(Sec/secretory)通路;(2)双精氨酸转移(Tat/twin-arginine)通路。前者存在于原核生物蛋白质转移到质膜过程中,以及真核生物蛋白质转移到内质网膜的过程中。后者存在于细菌、古菌、叶绿体和线粒体中,信号肽序列较长、疏水性较弱且尾部区含有两个连续精氨酸。相比于前者转运非折叠蛋白质,后者能转运折叠蛋白质跨越双层脂质膜 。

信号肽指引蛋白质转运后,将由信号肽酶进行切除。信号肽酶有三种:(1)一型信号肽酶(SPaseI);(2)二型信号肽酶(SPaseII);(3)三型信号肽酶(SPaseIII)。大部分信号肽由SPaseI进行移除,SPaseI存在古菌、细菌和真核生物中,且在真核生物的内质网膜上仅存在一型信号肽酶。细菌和古菌脂蛋白的信号肽C端含有一段称为 lipobox 的保守区域,由SPaseII切除其信号肽,且lipobox紧邻切除位点(CS/Cleavage Site)的氨基酸是半胱氨酸,这和锚定到膜的功能是相关的。细菌的四型菌毛蛋白信号肽由SPaseIII进行切除。此外:分泌通路(Sec)相关信号肽能由SPaseI、SPaseII和SPaseIII切除,但是双精氨酸转移(Tat)通路相关信号肽仅由 SPaseI和SPaseII切除。

使用SignalP 5.0能对原核生物的信号肽Sec/SPI、Sec/SPII和Tat/SPI,和对真核生物仅含有 Sec/SPI信号肽进行预测 。 SignalP 5.0目前不能对Tat/SPII进行预测。此外,由于没有足够大的数据进行训练,SignalP 5.0 也不能对Sec/SPIII进行分析。

SignalP是最为常用的信号肽分析软件,常用于分泌蛋白预测的第一步。到目前2019年4月,SignalP版本到了第5版。第一版本基于人工神经网络(Artificial Neural Network);第二版本引入隐马尔科夫模型(Hidden Markov Models);第三版本改进切除位点(Cleavage site)预测方法;第四版本改进对信号肽和跨膜螺旋的区分能力。这四个版本仅能对Sec/SPI类型的信号肽进行预测。而第五版本结合了深度神经网络(deep neural network)、条件随机分类(Conditional random field classification)和迁移学习(transfer learning)方法,能对信号肽进行更准确的预测。

可以使用SignalP网页工具进行分析。但一次仅支持最多5000条序列。以下讲解本地化运行SignalP软件。

2. SignalP软件下载和安装

# 需要填写edu邮箱和相关信息来获取下载地址
$ wget http://www.cbs.dtu.dk/download/6B91F6BC-5A05-11E9-8172-2ED6B9CD16B5/signalp-5.0.Linux.tar.gz -P ~/software/
$ tar zxf /home/train/software/signalp-5.0.Linux.tar.gz -C /opt/biosoft/
$ echo 'PATH=$PATH:/opt/biosoft/signalp-5.0/bin' >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc

3. SignalP软件使用

对真核生物的全基因组蛋白序列进行信号肽预测:
$ signalp -batch 30000 -org euk -fasta proteins.fasta -gff3 -mature
signalp命令的参数:

-batch <int> default: 10000
程序并行化运行的序列条数。程序能多线程运行,速度很快。推荐设置该参数值大于FASTA文件的序列总条数,虽然增加内存消耗,但能加快程序运行。
-org <string> default: euk
设置分析的物种类型。该参数值有4种:arch,古菌;gram+,革兰氏阳性细菌,gram-,革兰氏阴性细菌;euk,真核生物。
-fasta <string>
输入FASTA格式的蛋白序列文件。
-prefix <string>
设置输出文件前缀。默认在程序运行目录下输出结果文件,和输入文件名的前缀相同,后缀为_summary.signalp5。
-gff3
添加该参数,输出GFF3格式的信号肽预测结果。
-mature
添加该参数,对含有信号肽的蛋白序列,切除信号肽后输出其成熟蛋白序列。可以用于下游的跨膜区分析。
-tmp <string> default: /tmp
设置临时文件夹路径。
-format <string> default: short
设置输出格式。该参数值有两个:short,仅输出一个信号肽预测的整合文本结果;long,额外输出每条序列的各位点预测文本结果和图片结果;
-plot <string> default: png
设置输出图片结果的类型。当--format参数为long时,该参数生效。该参数值有三个:png;eps;none表示仅得到表格文件。
-version
打印程序版本并退出。

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