Выравнивание последовательностей белков

---

Глобальное парное выравнивание гомологичных белков

Protein Name	ID 1	ID 2	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels
ATP-dependent 6-phosphofructokinase isozyme 1	PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	926.0	55.8%	74.1%	3	3
Glucose-6-phosphate isomerase	G6PI_ECOLI	G6PI_BACSU	220.0	20.3%	33.1%	205	25
Glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase	G6PD_ECOLI	G6PD_BACSU	931.5	39.4%	59.8%	26	9

Локальное парное выравнивание гомологичных белков

Protein Name	ID 1	ID 2	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels	Coverage 1	Coverage 2
ATP-dependent 6-phosphofructokinase isozyme 1	PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	928.0	56.3%	74.8%	1	1	99.4%	99.4%
Glucose-6-phosphate isomerase	G6PI_ECOLI	G6PI_BACSU	230.0	23.5%	40.5%	79	15	73.0%	82.2%
Glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase	G6PD_ECOLI	G6PD_BACSU	935.5	39.7%	60.3%	25	8	99.2%	99.4%

Парное выравнивание негомологичных белков

Protein Name 1	Protein Name 2	ID 1	ID 2	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels	Coverage 1	Coverage 2
Глобальное выранивание
Pyruvate dehydrogenase E1 component	Transketolase	ODP1_ECOLI	TKT_BACSU	172.0	17.0%	29.4%	330	37
Локальное выранивание
Pyruvate dehydrogenase E1 component	Transketolase	ODP1_ECOLI	TKT_BACSU	181.5	19.0%	32.7%	224	32	87.6%	99.1%

Как и ожидалось, у выравниваний негомологичных последовательностей Score, Identity и Similarity оказались ниже, чем для гомологичных последовательностей. Однако эти показатели близки к данным выравнивания гомологичных глюкозо-6-фосфат изомераз. Помимо случайного совпадения, близкое к 20% Identity у негомологичных белков можно объяснить тем, что оба фермента используют один и тот же кофермент (тиаминпирофосфат) и катализируют реакции с одинаковым механизмом[1] и, следовательно, могут иметь в своём составе схожие домены.

Множественное выравнивание гомологичных белков

Для множественного выравнивания была выбрана глюкозо-6-фосфат изомераза штамма K12 кишечной палочки (мнемоника функции белка: G6PI; рекомендуемое полное имя белка из E. coli: Glucose-6-phosphate isomerase), так как выравнивание её последовательности с гомологичным ферментом Bacillus subtilis показало для них низкую схожесть (и в локальном, и в глобальном выравниваниях Identity равна своему нижнему пределу для гомологичных белков: 20-25%). С помощью множественного выравнивания предполагалось проверить гипотезу о том, что низкая схожесть обусловлена быстрой эволюцией исследуемого фермента. Для выравнивания был предварительно получен список ID всех 584 белков с такой же мнемоникой функции в Swiss-Prot. Из них были выбраны белки родственных E.coli Haemophilus influenzae и Agrobacterium fabrum, родственной B. subtilis Clostridium acetobutylicum и менее родственных обоим бактерям Nostoc punctiforme и Mycobacterium tuberculosis, чтобы по полученному из выранивания филогенетическому дереву можно было оценить скорость эволюции белка. Выравнивание было получено путём создания файла с USA выбранных белков, создания файла с их последовательностями программой seqret и запуска на kodomo программы muscle для этого файла. По выравниванию видно, что белки E.coli, H. influenzae, A. fabrum и M. tuberculosis более похожи друг на друга, чем на другие три белка: примерно в половине столбцов 3-4 остатка из 4 одинаковы. Для всех семи белков выделяется только несколько крупных консервативных участков (по номерам столбцов): 158-174, 205-214, 280-298, 372-380, 511-518 и 533-542. Так как одинаковые остатки распределены не равномерно, а участками, то скорее всего все 7 белков гомологичны. По результатам дополнительного выранивания программой Clustal Omega было построено филогенетическое дерево выровненных последовательностей (Рис. 1). На нём выделяются группы Фирмикут (B. subtilis и C. acetobutylicum) и Гамма-протеобактерий (E.coli и H. influenzae), но не выделяется более крупный тип Протеобактерий (E.coli, H. influenzae и A. fabrum). Это означает, что глюкозо-6-фосфат изомераза эволюционирует настолько быстро, что между родство дальними видами по выраниванию её последовательностей установить невозможно, поэтому в парных выраниваниях Identity для неё низкий.

Выравнивание TrmB Thermococcus litoralis с его гомологом

Protein Name	ID 1	ID 2	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels
Глобальное выранивание
HTH-type sugar sensing transcriptional regulator TrmB	TRMBR_THELN	TRMBR_PYRFU	1722.0	100.0%	100.0%	0	0

Выравнивание последовательностей репрессора TrmB археи Thermococcus litoralis и близкородственного вида Pyrococcus furiosus помимо гомологии показало полную их идентичность. Это подтверждает факт недавнего горизонтального переноса гена этого белка между этими археями [2].

Выравнивание при различных параметрах программ needle и water

ID 1	ID 2	Gap opening penalty	Gap extension penalty	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels	Coverage 1	Coverage 2
Глобальное выранивание
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	10.0	2.0	926.0	55.8%	74.1%	3	3
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	10.0	0.5	926.0	55.8%	74.1%	3	3
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	1.0	2.0	981.0	54.4%	72.1%	41	39
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	1.0	0.5	1002.5	53.4%	70.1%	69	40
Локальное выранивание
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	10.0	2.0	928.0	56.3%	74.8%	1	1	99.4%	99.4%
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	10.0	0.5	928.0	56.3%	74.8%	1	1	99.4%	99.4%
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	1.0	2.0	992.0	54.0%	70.9%	64	43	99.7%	99.4%
PFKA_ECOLI	PFKA_BACSU	1.0	0.5	1004.5	53.8%	70.7%	66	39	99.7%	99.4%

Без опции -auto программы needle и water запрашивают значения двух параметров: "Gap opening penalty" и "Gap extension penalty" – соответственно штраф за первый гэп инделя и штраф за каждый последующий гэп инделя (по умолчанию равны 10 и 0.5 соответственно). Снижение штрафа за открытие увеличивает количество гэпов и инделей в выравнивании повышает вес выранивания. Покрытие в локальном выравнивании при этом увеличивается. Снижение штрафа за удлинение дополнительно увеличивает число гэпов.

Вес выравниваний с низкими штрафами выше, так как при возможности внесения большого числа гэпов негомологичные участки можно выровнять с высоким Identity. Например, в выравниваниях с наименьшими штрафами много гэпов было внесено в концевые части последовательностей, и там появились дополнительные идентичные остатки, хотя по выравниванию с наибольшими штрафами явная гомология в концевых участках не прослеживается.

Список литературы

1. Д.Нельсон, М.Кокс. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т.1: Основы биохимии, строение и катализ. Пер. с англ. – 3-е изд, испр. – М.: Лаборатория знаний, 2017. – 694 с. ISBN: 978-5-00101-014-2
2. Lee, S.-J., Surma, M., Hausner, W., Thomm, M., & Boos, W. (2008). The role of TrmB and TrmB-like transcriptional regulators for sugar transport and metabolism in the hyperthermophilic archaeon Pyrococcus furiosus. Archives of Microbiology, 190(3), 247256. DOI: 10.1007/s00203-008-0378-2.