Последовательности белков

Эволюция семейства белков
Эволюционные домены и их
выравнивание
Основные этапы биоинформатического анализа
молекулярной эволюции
• Выбор последовательностей и их выравнивание
• Построение/выбор эволюционной модели
• Реконструкция эволюции
– реконструкция филогенетического дерева
– оценка силы давления и направления отбора
– сравнение скоростей эволюции
– ...
• Оценка статистической значимости реконструкции
•
?
Весна, 2008, А.Б.Раманинова
Что отображает выравнивание?
(три возможных смысла)
1. Сопоставление остатков есть гипотеза об их общем
происхождении.
2. Сопоставление есть гипотеза (или утверждение) об
одинаковой или «гомологичной» (что бы это ни
значило) функции остатков.
3. Сопоставление есть гипотеза или утверждение о
сходном пространственном расположении остова цепи
в районе данного остатка.
Разумеется, эти смыслы не взаимоисключающи!
Известно, что пространственная структура консервативнее в эволюции, чем
последовательность. Поэтому по наложению структур судят об общности
происхождения.
При сравнении похожих структур белков, как правило,
анализируется только положение атомов CA каждого из
аминокислотных остатков.
Пример пространственного
наложения структур двух родственных
белков. Изображены только CA-атомы
и условные линии, соединяющие их.
Против этих остатков должны стоять гэпы.
Пара
сопоставленных
остатков
Обычное дело…
В истории многих белков имели место случаи рекомбинации:
FAS_PNECA
Q83I90 _TROW8
Домен белка
Три определения:
•Функциональный домен: часть белка, которая, будучи получена в
эксперименте отдельно от остального белка, сохраняет какую-либо из его
функций.
•Структурный домен: часть белка, хорошо обособленная в пространстве от
остальных частей (не формализовано!)
•Эволюционный домен: относительно консервативная часть
последовательности, замеченная в перестановках с другими подобными
частями.
Материал по эволюционным доменам самый большой, поскольку
известных последовательностей во много раз больше, чем известных
структур, и во много-много раз больше, чем результатов экспериментов
по сохранению функции частью белка.
Домены, выделенные по разным определениям, часто совпадают. Однако есть примеры, когда
один эволюционный домен состоит из двух структурных и т.п.
Эволюционные домены
223 белка
ЕС 4.1.2.25
243 белка
ЕС 2.7.6.3
507 белков
• 25 белков
• 9 белков
• 2 белка
• 12 белков
ЕС 2.5.1.15
Выравнивать имеет смысл последовательности
(эволюционных) доменов
(а, вообще говоря, не полноразмерных белков)!
Тем самым, домен белка – основной объект
науки о выравниваниях, эволюции,
функциональной аннотации и т.п.
Программы множественного
выравнивания
• ClustalW (можно считать устаревшей)
• Muscle (существенно быстрее и чуть аккуратнее)
• MAFFT (то же, имеет медленную и аккуратную опцию “einsi”)
• T-COFFEE
• PROBCONS
• DI-ALIGN
Банки семейств белков
• Pfam
• ProSite
Структура Pfam:
• коллекция HMM-профилей (каждый профиль характеризует
«обобщённую последовательность» некоторого эволюционного домена).
• аннотации эволюционных доменов (собственные и взятые из InterPro)
• выравнивания (генерируются с помощью профилей; часто плохого
качества – содержат очевидные неточности)
• интерфейс (средства поиска, средства сохранения выравниваний и т.д.)
http://pfam.sanger.ac.uk/
Банки семейств белков
• Pfam
• ProSite
Структура ProSite:
• коллекция белковых семейств и доменов.
• аннотации эволюционных доменов
• Функциональные участки, мотивы, подписи и профили.
• интерфейс (средства поиска, средства сохранения выравниваний и т.д.)
http://au.expasy.org/prosite/
PSSM
PSSM или Position-Specific Scoring Matrix, тип матрицы в которой значение
замещения аминокислоты зависит от положения в выравнивании.
Например замена Tyr-Trp в позиции 5 не эквивалентна той же самой замене в
позиции 10. Это является принципиальным отличием от PAM или BLOSUM.
Значения в PSSM матрицы имеют положительные или отрицательные
целочисленные значения. Положительные значения указывают, что
аминокислота замещается чаще чем в случайным образом. Отрицательные
значения соответственно наоборот.
PSSM создаются при работе с PSI-BLAST
Профиль
ID
AC
DT
DE
MA
MA
MA
MA
MA
MA
MA
MA
MA
20;
MA
SEQUENCE_PROFILE; MATRIX.
ZZ99999;
Tue Apr 21 21:25:58 2009
Generated from MSF file: 'RT07.weighted.ali'.
/GENERAL_SPEC: ALPHABET='ABCDEFGHIKLMNPQRSTVWYZ'; LENGTH=287;
/DISJOINT: DEFINITION=PROTECT; N1=6; N2=282;
/NORMALIZATION: MODE=1; FUNCTION=LINEAR; R1=0.0000000; R2=0.0100000; TEXT='No_units';
/CUT_OFF: LEVEL=0; SCORE=850; N_SCORE=8.5; MODE=1; TEXT='!';
/CUT_OFF: LEVEL=-1; SCORE=650; N_SCORE=6.5; MODE=1; TEXT='?';
/DEFAULT: M0=-8; D=-20; I=-20; B1=*; E1=*; MI=-105; MD=-105; IM=-105; DM=-105;
/I: B1=0; BI=-105; BD=-105;
/M: SY='M'; M=-10,-20,-20,-30,-20,0,-20,0,20,-10,20,60,-20,-20,0,-10,-20,-10,10,-20,0,-10;
/M: SY='G'; M=0,-10,-30,-10,-20,-30,70,-20,-40,-20,-30,-20,0,-20,-20,-20,0,-20,-30,-20,-30,/M: SY='I';M=-10,-30,-30,-40,-30,0,-40,-30,50,-30,20,20,-20,-20,-20,-30,-20,-10,30,-20,0,-
30;
/GENERAL_SPEC:
/DISJOINT:
/NORMALIZATION:
/CUT_OFF:
/DEFAULT:
/I:
/M:
Общие указания
Описание разделителей.
Значения для нормализации результатов выравнивания.
Рекомендуемые значения Cut-off.
Значения по умолчанию для специфических позиций
Вставка в профиле.
Совпадение в профиле.