Практикум 9
1. Глобальное и локальное парное выравнивание гомологичных белков
Для детального анализа трех пар гомологичных белковых последовательностей, принадлежащих организмам Escherichia coli и Bacillus subtilis, было проведено два типа парного выравнивания: глобальное и локальное. Глобальное сопоставление последовательностей по всей длине (Таблица 1) осуществлялось с использованием алгоритма needle, в то время как поиск зон локального сходства (Таблица 2) выполнялся с помощью программы water. Оба программных инструмента входят в состав пакета EMBOSS.
| Protein Name | ID 1 | ID 2 | Score | % Identity | % Similarity | Gaps | Indels |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ATP synthase gamma chain | ATPG_ECOLI | ATPG_BACSU | 504.5 | 36.3% | 61.0% | 10 | 3 |
| Endonuclease III | END3_ECOLI | END3_BACSU | 432.0 | 44.3% | 59.4% | 8 | 3 |
| Cold shock protein | CSPC_ECOLI | CSPC_BACSU | 186.0 | 53.6% | 65.2% | 3 | 2 |
| Protein Name | ID 1 | ID 2 | Score | % Identity | % Similarity | Gaps | Indels | Coverage 1 | Coverage 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ATP synthase gamma chain | ATPG_ECOLI | ATPG_BACSU | 504.5 | 36.4% | 61.2% | 9 | 2 | 100,00% | 99,7% |
| Endonuclease III | END3_ECOLI | END3_BACSU | 435.0 | 45.8% | 61.3% | 2 | 2 | 99,5% | 100,00% |
| Cold shock protein | CSPC_ECOLI | CSPC_BACSU | 193.0 | 59.7% | 72.6% | 1 | 1 | 89,9% | 91,0% |
Анализ данных показывает, что все три пары белков являются гомологами по всей длине. При этом локальное выравнивание для этих белков дают практически те же результаты что и глобальное. Глобальное выравнивание белка ATP synthase gamma chain практически неотличимо его локального выравнивания. Для белка Endonuclease III характерно снижение количества гэпов в его локальном выравнивании, а для локального выравнивания белка Cold shock protein CspC характерно повышение встречаемости одинаковых аминокислотных остатков на 6%. В заключение можно сказать что для этих белков локальное выравнивание дает почти тот же результат что и глобальное.
2. Результат применения программ выравнивания к неродственным белкам
Был проведен сравнительный анализ первичных структур пары негомологичных белков. В ходе исследования были построены и изучены глобальное (таблица №3) и локальное (таблица №4) парные выравнивания.
| Protein Name | ID 1 | ID 2 | Score | % Identity | % Similarity | Gaps | Indels |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fructose-bisphosphate aldolase | ALF1_ECOLI | CADA_BACSU | 51.5 | 11.5% | 19.2% | 480 | 26 |
| Protein Name | ID 1 | ID 2 | Score | % Identity | % Similarity | Gaps | Indels | Coverage 1 | Coverage 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fructose-bisphosphate aldolase | ALF1_ECOLI | CADA_BACSU | 66.0 | 20.1% | 33.2% | 127 | 19 | 81,8% | 45,3% |
На основании полученных статистических данных можно сделать вывод об отсутствии эволюционного родства между рассматриваемыми объектами. Ключевым аргументом в пользу этого утверждения служит крайне низкий уровень Identity и Similarity. В частности, показатель идентичности даже при локальном методе сопоставления примерно равнялся 20%. Дополнительным подтверждением данного тезиса являются низкие значения Score обоих выравниваний. Кроме того, при сопоставлении со стандартными показателями гомологичных белков, в данных образцах фиксируется аномально высокая частота гэпов. Таким образом, совокупность количественных характеристик позволяет классифицировать данные белки как неродственные.
3. Множественное выравнивание белков и импорт в Jalview
Для анализа была выбрана мнемоника ATPG_*. Рекомендованное полное имя белка — ATP synthase subunit gamma. По расширенному поиску UniProt нашлось 762 белка, 7 из которых вошли в итоговое выравнивание:
- ATPG_HUMAN: Homo sapiens (Человек разумный).
- ATPG_ECOLI: Escherichia coli (Кишечная палочка).
- ATPG_RAT: Rattus norvegicus (Крыса серая).
- ATPG_SPIOL: Spinacia oleracea (Шпинат огородный).
- ATPG_BACSU: Bacillus subtilis (Сенная палочка).
- ATPG_YARLI: Yarrowia lipolytica (Дрожжи).
- ATPG_TRYBB: Trypanosoma brucei brucei (Трипаносома).
Для установления филогенетического родства таксонов и локализации консервативных доменов было осуществлено построение множественного выравнивания в среде Jalview (исходные данные в формате FASTA).
Ссылка на файл Jalview
Исходя из полученного множественного выравнивания, можно сказать, что данные белки являются гомологами. Хотя объекты были взяты из совершенно разных систематических групп, для этих белков характерны общие консервативные участки: с 40-го по 75-й, со 110-го по 135-й столбцы и с 310-го по 365-й. Наиболее вариативными оказались участки от начала до 40-го столбца и с 235-го до 285-го - в этих местах наблюдается наибольшее количество гэпов.