Практикум 4

Составление списка гомологичных белков, включающих паралоги

Таблица из предыдущего практикума с отобранными бактериями:

Таблица 1. Отобранные бактерии и их мнемоники.
Название Мнемоника
Pasteurella multocida PASMU
Shewanella denitrificans SHEDO
Burkholderia mallei BURMA
Polynucleobacter asymbioticus POLAQ
Thiobacillus denitrificans THIDA
Neisseria meningitidis NEIMA
Bartonella henselae BARHE

Для поиска достоверных гомологов белка CLPX_ECOLI в бактериях, которые были отобраны мной в предыдущих практикумах, была использована программа blastp.

Сначала были скачаны протеомы из директории /P/y22/term4/Proteomes и произведено копирование последовательностей в один файл proteomes.fasta с использованием следующией команды:

cat PASMU.fasta SHEDO.fasta BURMA.fasta POLAQ.fasta THIDA.fasta NEIMA.fasta BARHE.fasta > ~/term4/pr4/proteomes.fasta

Теперь создадим базу данных из последовательностей белков:

makeblastdb -dbtype prot -in proteomes.fasta -out myprot_db

Найдём гомологи белка CLPX_ECOLI в созданной базе данных с E-value = 0.001:

blastp -db myprot_db -query CLPX_ECOLI.fasta -out homologs -evalue 0.001

В результате был получен следующий файл: blastp_results.

Реконструкция и визуализация

Последовательности находок находятся в этом файле.

Далее построим филогенетическое дерево по последовательностям полученных находок гомологов с помощью программы FastME (сайт: NGPhylogeny.fr). Для выравнивания последовательностей был использован MAFFT.

Параметры для FastME:

Gamma distributed rates across sites - No

Starting tree - BIONJ

No refinement

100 bootstrap реплик

Остальные параметры - по умолчанию

Newick-формула дерева без укоренения в среднюю точку. Ниже на Рис. 1 представлено дерево после укоренения в среднюю точку.

Рис. 1. Филогенетическое дерево гомологов белка CLPX_ECOLI (MAFFT, FastME, визуализация при помощи iTOL).
Рис. 1. Филогенетическое дерево гомологов белка CLPX_ECOLI (MAFFT, FastME, визуализация при помощи iTOL).

По построенному дереву найдем пары ортологов и паралогов:

>> Ортологи - гомологичные белки из разных организмов, разделение их общего предка (на линии, ведущие к белкам) произошло в результате видообразования.

1) RUVB BARHE и CLPX BARHE
2) Q9CKU5 PASMU и HSLU PASMU
3) Q3SFW1 THIDA и Q3SJH1 THIDA

>> Паралоги - гомологичные белки, произошедшие от одного общего предка, но выполняющие разные функции в клетке.

1) CLPX THIDA и CLPX PASMU
2) HSLU SHEDO и HSLU PASMU
3) RUVB BARHE и RUVB NEIMA

Построим дерево, покрасив клады в соответствии с ортологичными группами:

Рис. 2. Ортологические группы среди исследуемых белков: голубой - FTSH белки, фиолетовый - HSLU, розовый - CLPX.
Рис. 2. Ортологические группы среди исследуемых белков: лилово-синий - FTSH белки, розовый - HSLU, зелёный - CLPX.

Далее построим дерево, у которого все ортологические группы, содержащие более трёх последовательностей, - "схлопнуты".

Рис. 3. Дерево со "схлопнутыми" ортологическими группами: лилово-синий - FTSH, розовый - HSLU, зелёный - CLPX.
Рис. 3. Дерево со "схлопнутыми" ортологическими группами: лилово-синий - FTSH, розовый - HSLU, зелёный - CLPX. (для увеличения нажмите на изображение).

1) FTSH - группа АТФ-зависимых цинк металлопротеаз, контролирует качество интегральных мембранных белков.

2) HSLU - группа АТФазных субъединиц HslU АТФ-зависимых протеаз. Связывание АТФ и его последующий гидролиз необходимы для подготовки субстрата к HslV гидролизу.

3) CLPX - группа АТФ-связыващих субъединиц ClpX АТФ-зависимых протеаз Clp.

На рис. 4 отобразим белки каких бактерий отстуствуют в данных ортологических группах:

Рис. 4. Состав "схлопнутых" ортологических групп.
Рис. 4. Состав "схлопнутых" ортологических групп.

1) > FTSH - для представленных в ней белков филогения по ним полностью соответствует филогении бактерий.

2) > HSLU - для представленных белков наблюдается несоответствие внутри клады {HSLU_THIDA, HSLU_BURMA} с соответствующей для бактерий, в остальном деревья совпадают.

3) > CLPX - филогения белков не соотвествует филогении бактерий. Но были правильно выделены следующие нетривиальные ветви:

1. {BARHE, NEIMA, THIDA, POLAQ, BURMA} против {SHEDO, PASMU}

2. {BARHE, SHEDO, PASMU, NEIMA} против {THIDA, POLAQ, BURMA}