Семестр 2. Практикум 11. Гомология и выравнивание. Домены. JalView

1. Выбор семейства белковых доменов

Из базы Pfam выбрано семейство белковых доменов со следующими характеристиками:

• AC: PF00018
• ID: SH3_1
• Summary name: SH3 domain
• #seed: 55  |  #structures: 563  |  #species: 1443

Домен удовлетворяет условиям задания: более 20 последовательностей в seed-выравнивании и не менее 3 структур.

2. Описание семейства доменов

Таблица 1. Формальные характеристики семейства PF00018

2.1. Функция и структура домена

SH3 (Src homology 3) — небольшой домен (~60 а.к.), впервые описанный в цитоплазматической тирозинкиназе Src (P12931). Домены SH3 характерны для белков, участвующих в передаче сигнала и организации цитоскелета. Структурно домен представляет собой частично открытую бета-бочку. SH3 домены, как правило, узнают пролин-богатые мотивы (PxxP) в белках-партнёрах, обеспечивая специфические белок-белковые взаимодействия в сигнальных каскадах.

2.2. Таксономическое распространение

Домен SH3_1 встречается преимущественно у эукариот: 214 924 белка в 3 684 видах. У бактерий представлен незначительно — 67 белков в 59 видах, у вирусов — 30 белков в 19 видах. У архей домен не обнаружен. Таким образом, SH3 — типично эукариотический домен.

Таксономическое распределение белков домена PF00018 с разной глубиной представлено на рисунках ниже.

2.3. Доменные архитектуры

Домен SH3_1 встречается в 4 795 различных доменных архитектурах. Наиболее распространённые из них:

• SH3_1 + SH2 + PK_Tyr_Ser-Thr — 16 108 белков (пример: P10447); типичная архитектура тирозинкиназ семейства Src
• SH3_1 — 15 993 белка (пример: P40073); домен как единственный структурный элемент
• BAR + SH3_1 — 7 406 белков (пример: P39743); белки, связанные с изгибом мембраны и эндоцитозом

3. Анализ блоков выравнивания seed

Seed-выравнивание домена PF00018 загружено в JalView (File - Fetch sequences - PFAM Seed).

Таблица 2. Результаты анализа блоков выравнивания

3.1. Максимальный достоверный блок, включающий все последовательности (МДБ-all)

Блок определён на колонках 13–28 (длина 16 позиций). В этом участке все 55 последовательностей представлены буквами — гэпов нет. Блок соответствует консервативному мотиву петли между первым и вторым бета-тяжами SH3 домена, включающей функционально важный участок связывания лиганда.

Консервативные позиции внутри блока:

• Col 15: [DE] — E у 35, D у 14 из 55 последовательностей (89%); функционально консервативна (группа кислых а.к.)
• Col 22: [DE] — D у 30, E у 16 из 55 (84%); функционально консервативна

Блок максимален: расширение влево (col 12: 91% гэпов) или вправо (col 29: 4 гэпа, неконсервативна) снижает его достоверность. Добавление любой последовательности невозможно — все 55 уже включены.

Рисунок 2. Вид «МДБ-all». Колонки 15 и 22 соответствуют консервативной группе [DE].

3.2. Максимальный достоверный блок, включающий не все последовательности (МДБ-notAll)

Блок определён на колонках 1–10, подмножество из 54 последовательностей (последовательности 1–54; исключена Q6FWR1_CANGA/526-572, имеющая гэп в колонке 1). В этих 10 колонках у 54 последовательностей нет ни одного гэпа.

Консервативные позиции внутри блока (среди 54 последовательностей):

• Col 2: A — A у 48 из 54 (89%); почти абсолютная консервация
• Col 4: [FY] — Y у 38, F у 9 из 54 (87%); функционально консервативна (группа ароматических а.к.)
• Col 6: [FY] — Y у 31, F у 22 из 54 (98%); практически абсолютная консервация [FY]

Этот блок соответствует N-концевой части домена SH3 — первому бета-тяжу и предшествующей петле с характерным мотивом xALYDY.

Рисунок 3. Вид «МДБ-notAll».

3.3. Участок выравнивания, не отражающий ход эволюции

Колонки 33–35 не содержат ни одного достоверного подблока даже для пары последовательностей:

• Col 33: буква только у 4 из 55 последовательностей (51 гэп, 93%)
• Col 34: буква только у 1 из 55 последовательностей (54 гэпа, 98%) — единственная буква у BOI2_YEAST/49-99
• Col 35: буква у 16 из 55 (39 гэпов), при этом никакой консервации среди присутствующих букв нет

Рисунок 4. Вид «Недостоверный»: во всех строках — гэпы, буквы присутствуют лишь у единичных последовательностей.

Проект JalView

4. Карта локального сходства двух белков с SH3-доменом

Таблица 3. Выбранные белки и их доменные архитектуры

Карта локального сходства (dotplot) построена с помощью NCBI BLASTp (Align two or more sequences - Dot Plot).

Рисунок 5. Карта локального сходства (dotplot) белков P10447 и P39743. Единственная диагональ соответствует общему SH3-домену.

На карте обнаруживается единственная диагональ, что означает одну область локального сходства между двумя белками. Это и есть общий SH3-домен: именно он гомологичен в обеих последовательностях, тогда как остальные домены — SH2 и тирозинкиназный у P10447, BAR у P39743 — друг другу не гомологичны и на карте не отображаются.

В диагонали наблюдается разрыв — нормальная эволюционная вариация внутри доменного семейства.

Таким образом, несмотря на принципиально разный белковый контекст (сигнальная киназа vs. белок регуляции кривизны мембраны), SH3-домены обоих белков сохраняют гомологию, что подтверждает общее эволюционное происхождение домена вне зависимости от архитектуры содержащего его белка.