Выравнивание последовательностей белков
advertisement
Мутации и отбор Сегодня основное внимание уделим отбору Мутации белка – следствия мутаций кодирующей последовательности его ген Каким может быть результат для последовательности белка? Эффект мутации CDS Мутация CDS Замена одного нуклеотида Делеция или вставка нуклеотидов в числе не кратном 3 Делеция нуклеотидов в числе кратном 3 Вставка нуклеотидов в числе кратном 3 Делеция одного нуклеотида и, через несколько нуклеотидов, вставка одного нуклеотида Другие варианты Результат для аминокислотной последовательности 1. Нет эффекта (синонимическая мутация) 2. Замена одного остатка на другой 3. Укорочение полипептида: замена на стоп-кодон 4. Удлинение полипептида: потеря стоп-кодона Непредсказуемое изменение аминокислотной последовательности C-концевой части полипептида Делеция одного или нескольких остатков Вставка одного или нескольких остатков Непредсказуемое изменение последовательности на участке между делецией и вставкой …….. Какие мутации CDS чаще всего сохраняются у потомков? Синонимические мутации Кодирующая последовательность белка VP3 полиовируса Стандартная таблица генетического кода T(U) C A G T(U) TTT Phe TTC Phe TTA Leu TTG Leu СTT Leu СTC Leu СTA Leu СTG Leu ATT Ile ATC Ile ATA Ile ATG Met GTT Val GTC Val GTA Val GTG Val C TCT TCC TCA TCG CCT CCC CCA CCG ACT ACC ACA ACG GCT GCC GCA GCG Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala A TAT TAC TAA TAG CAT CAC CAA CAG AAT AAC AAA AAG GAT GAC GAA GAG Tyr Tyr Stop Stop His His Gln Gln Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu G TGT TGC TGA TGG CGT CGC CGA CGG AGT AGC AGA AGG GGT GGC GGA GGG Cys Cys Stop Trp Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly Какие мутации CDS реже всего сохраняются у потомков? Мутации аминокислотных остатков, ответственных за функцию или структуру белка Выживет ли бакетрия с мутацией Asp339Ala в этом белке? Братцева Аня Имя Имя Расс Предполож атома контакт тоян ительная контакт ирующег ие в природа а о атома Å контакта белка Са 2+ Gln272:A 2.31 Электроста .OE1 тическое взаимодейс твие? Са 2+ Asp339:A 2.51 Электроста .OD2 тическое взаимодейс твие Предложите мутации Asp339 (возможно, одновременно с другой мутацией), которые имеют шансы на “выживание” Контакты с лигандом в yqjM_BACSU. Исследуемый объект - флавиномононуклеотид (FMN). Ярахмедов Турал Имя атома контакта FMN1500A.O 2 Имя Рассто Предположител контактиру яние в ьная природа ющего атома Å контакта белка HIS164A.R (ND1) (заряженный радикал гистидина) 3,37 HIS167A.R (NE2) 3,73 GLN102A.NE 2 [N-H] 2,79 ARG215A.N FMN1500A.O H1 [N-H] 3' 2,90 FMN1500A.O ARG308A.N 1P H2 [N-H] 2,82 FMN1500A.O ARG215A.N 2' H1 [N-H] 3,19 FMN1500A.O CYS26A.SG 4 [S-H] 3,17 3,02 Электростатичес кое взаимодействие? Водородные связи? Контакты ионa марганца с белком MNTR_BACSU. Евсютина Даша. Имя атома контакта Имя Рассто Предположител контактиру яние в ьная природа ющего Å контакта атома белка Ион марганца Glu99.OE1 3.725 Электростатичес кое взаимодействие? Иoн марганца Glu99.OE2 2.19 Электростатичес кое взаимодействие? Ион марганца Glu102.OE2 2.254 Электростатичес кое взаимодействие? Ион марганца Glu102.OE1 2.572 Электростатичес кое взаимодействие? Ион марганца Glu11.OE1 3.196 Электростатичес кое взаимодействие? Ион марганца Glu11.OE2 2.192 Электростатичес кое взаимодействие Мутации остатков, важных для правильной укладки полипептидной цепи Phe49 – основа гидрофобного ядра гомеодомена Какие шансы “выжить” делециям и вставкам? Делеция/вставка в альфа-спирали Гомеодомен – регулятор транскрипции эукариот Остатки спирали, смотрящие внутрь – гидрофобны (зеленые). Остатки, смотрящие наружу, - полярны и образуют водородные связи с ДНК Что произойдет со спиралью белком при делеции “фиолетового” остатка? Делеция/вставка в петле (порины) Вывод • Делеции/вставки в середине альфаспирали имеют крайне мало шансов “выжить” • То же относится и к бета-тяжам • Наиболее вероятны делеции и вставки в петлях между элементами вторичной структуры белка “Функциональное” выравнивание: совмещение остовов полипептидных цепей • Соответствие эволюционного и функционального выравниваний • Укладка консервативней последовательности! Аминокислотные остатки помещают в одну колонку выравнивания если они • происходят от одного предкового остатка последовательности белка – общего предка (эволюция) • их C_alpha атомы находятся в участках полипептидной цепи сходной конформации (структура) • играют сходную роль в белке (функция) Проблема выравнивания • Мы наблюдаем только потомков общего предка, а самого предка не знаем • Структуры известны менее, чем для 1% белков • Угадывать правильное выравнивание приходится по последовательности. • Гомология белков • Структура гомолога нам поможет! • Мы должны отличать участки где выравнивание правдоподобно от участков где выравнивания на самом деле нет, или оно не может быть обосновано сходством последовательностей или структур Правильно ли выровнены последовательности? Какое выравнивание “правильнее”? 12 консервативных остатков * 20 * 4 MTA1_YEAST : K----SSISPQA-R------A------F-----LEQVFR : 17 MAT2_YEAST : KPYRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLENLMK : 39 K 3 2 R A 5 LE 6 4 0 * 60 * MTA1_YEAST : RKQSLNSKEKEEVAKKCGITPLQVRVWFINKRMRSK- : 53 MAT2_YEAST : NT-SL-SR-------------IQIKNWVSNRRRKEKT : 61 SL S4 6Q64 W N4R 4 K 13 “консервативных” остатков Множественное выравнивание гомеодоменов Красным выделены консервативные (одинаковые у всех) остатки; желтым – на 80% консервативные (одинаковые почти у всех) остатки Красным выделены консервативные и функционально консервативные остатки Пространственное совмещение полипептидных цепей белков mta1_yeast и mat2_yeast На плоской картинке видно плохо Совмещение структур и выравнивание последовательностей “Случайное” совпадение C_alpha атомов в пространстве Аминокислотные остатки в одной колонке биологически обоснованного выравнивания, как правило, “произошли” из одного и того же остатка - их общего предка Кроме случаев лабораторного генно-инженерного мутагенеза это трудно проверить экспериментально! ПРОБЛЕМА: как построить “правильное” выравнивание последовательностей белков если структуры белков неизвестны? Острота проблемы вытекает из статистики: На сегодня известны: • последовательности примерно 10 млн белков (большинство – гипотетические, как белок из записи Q9ZWN8_CERRI ) • пространственные структуры около 60 тыс. белков Алгоритмические решения проблемы воплощены в программах Программы выравнивания последовательностей тестируются путем сравнения с биологически обоснованными – построенными по совмещению структур – выравниваниями Существуют базы данных структурных выравниваний последовательностей (BAliBAse и др.) Предположим, известны структуры родственных белков и, значит, биологически обоснованное выравнивание последовательностей • При > 60% совпадающих букв любая современная программа даст (почти) правильный результат • При < 20% совпадающих букв (такие примеры существуют) ни одна программа не даст правильного выравнивания • Между 20% и 60% , обычно, результат программы частично правилен (*) Справедливы ли положения с предыдущего слайда для выравнивания • последовательностей ДНК? • последовательностей РНК? Итак, биологический смысл выравнивания последовательностей белков • Сα атомы остатков в одной колонке обоснованного выравнивания примерно одинаково расположены в структурах белков (с оговорками из-за возможных изменений конформации белка в процессе его функционирования) • В части столбцов остатки всех белков имеют сходные функции • Остатки из одной колонки обоснованного выравнивания, скорее всего, “произошли” от одного остатка общего предка белков
