Семестр 2. Практикум 13. Алгоритмы и программы множественного выравнивания

2. Сравнение выравниваний одних и тех же последовательностей тремя программами

2.1. Последовательности и программы

Для сравнения выбрана доменная архитектура BAR + SH3_1 из практикума 11.

Взяты 7 белков из семейства амфифизин/эндофилин, несущих оба домена:

Те же последовательности выравнены тремя программами:

• A — MUSCLE (EBI, v3.8), 802 колонки
• B — MAFFT (CBR, режим auto/L-INS-i), 824 колонки
• C — T-Coffee (CRG, regular mode), 858 колонок

FASTA: A (MUSCLE) · B (MAFFT) · C (T-Coffee)

VerAlign на момент подготовки отчета выдавал ошибку "Queue job has crashed", поэтому сравнение выравниваний выполнено программно, с помощью скрипта на Python: для каждой пары выравниваний построено отображение "остаток - колонка" в каждом из них; колонки считаются одинаково выравненными, если все последовательности имеют тот же остаток в той же позиции в обоих выравниваниях.

stdout работы скрипта.

2.2. Сравнение A (MUSCLE) и B (MAFFT)

Совпадающих колонок: 225 из 802 (28,1% от A; 27,3% от B).

Таблица 1. Блоки одинаково выравненных колонок, A vs B (длина ≥ 2)

Одиночные совпадающие колонки вне блоков: (128, 142), (433, 452).

Крупнейшие несовпадающие участки в выравнивании A:

• 697–791 (95 колонок)
• 283–374 (92 колонки)
• 378–468 (91 колонка)
• 51–138 (88 колонок)
• 141–210 (70 колонок)

2.3. Сравнение A (MUSCLE) и C (T-Coffee)

Совпадающих колонок: 213 из 802 (26,6% от A; 24,8% от C).

Таблица 2. Блоки одинаково выравненных колонок, A vs C (длина ≥ 2)

Одиночные совпадающие колонки вне блоков: (127, 143).

Крупнейшие несовпадающие участки в выравнивании A:

• 535–632 (98 колонок)
• 141–210 (70 колонок)
• 680–734 (55 колонок)
• 54–104 (51 колонка)
• 738–791 (54 колонки)

2.4. Обсуждение

MAFFT (B) ближе к MUSCLE (A), чем T-Coffee (C): совпадение 28,1% против 26,6%. При этом блоки в паре A–B длиннее (максимальный блок 41 против 38), а число блоков меньше (15 против 23). Это означает, что MAFFT и MUSCLE «соглашаются» в более протяжённых консервативных участках, тогда как T-Coffee дробит совпадения на большее число коротких блоков^[1].

Проект Jalview (выравнивания A, B, C): prakt-D-ABC.jvp

3. Структурное выравнивание и сравнение с выравниванием MSA

3.1. Выбор структур

Выбраны три структуры BAR-домена из PDB — все принадлежат семейству амфифизин/эндофилин:

3.2. Совмещение структур

Множественное структурное выравнивание выполнено сервисом PDBeFold (Secondary Structure Matching, режим Multiple). Суммарный RMSD = 3,42 Å, Q-score = 0,31, выравнено 182 остатка из 259 позиций выравнивания.

Статистика по структурам:

• 1X03:A — RMSD = 2,34 Å, Q = 0,54
• 1URU:A — RMSD = 1,41 Å, Q = 0,69 (ближайший к консенсусу)
• 4ATM:A — RMSD = 2,06 Å, Q = 0,56

Визуализация совмещения реализована в PyMOL и транслирована в PDB для отображения в Mol*.

Для отображения совмещенных структур в Mol* понадобилось дополнительно изменить идентификаторы цепей в PyMOL и сохранить в виде нового PDB.

fetch 1x03
fetch 1uru
fetch 4atm
super 1uru, 1x03
super 4atm, 1x03
color red, 1x03
color blue, 1uru
color green, 4atm

alter 1uru, chain="B"
alter 4atm, chain="C"
sort
save prakt-D-superposed.pdb, 1x03 or 1uru or 4atm

Рисунок 1. Совмещение 1X03, 1URU, 4ATM.

• Красный — 1X03 (Endophilin-A1, Human)
• Синий — 1URU (Amphiphysin, Drosophila)
• Зелёный — 4ATM (Amphiphysin, Human)

3D-модель 1. Совмещение 1X03, 1URU, 4ATM.

3.3. Сравнение структурного выравнивания с MSA

Структурное выравнивание последовательностей (259 колонок) получено из PDBeFold (см. раздел 3.2) в формате FASTA. Те же последовательности выравнены программой MUSCLE (265 колонок). Сравнение двух выравниваний выполнено программно тем же скриптом что и в задании 2.

stdout работы скрипта.

Совпадающих колонок: 8 из 259 (3,1% от структурного; 3,0% от MSA).

Таблица 3. Блоки одинаково выравненных колонок, структурное (s1) vs MUSCLE (s2)

Одиночные совпадающие колонки вне блоков: (78, 96).

Крупнейшие несовпадающие участки в структурном выравнивании:

• 4–61 (58 колонок)
• 64–171 (108 колонок) — наибольший
• 174–259 (86 колонок)

Выравнивания в формате FASTA: структурное (PDBeFold) · MSA (MUSCLE)

3.4. Обсуждение

Совпадение структурного и последовательностного выравниваний крайне низкое — всего 3,1%. Это закономерный результат: последовательностная идентичность между Endophilin-A1 и Amphiphysin составляет около 10%, что ниже «порога Дулитла» (~25%), при котором последовательностное выравнивание становится ненадёжным.

PDBeFold выравнивает структуры по геометрии Cα-атомов и выявляет консервативную пространственную организацию там, где MUSCLE «не видит» сходства в последовательности^[2]. Все три структуры действительно образуют одинаковую серповидную форму BAR-димера (RMSD ≤ 2,34 Å), однако аминокислоты, занимающие одинаковое положение в пространстве, часто оказываются различными — именно поэтому большинство структурно выравненных пар в последовательностном выравнивании расположены в разных колонках.

Три небольших совпадающих блока (суммарно 7 колонок) соответствуют наиболее консервативным участкам ядра BAR-домена, которые сохранили как пространственную геометрию, так и частичную последовательностную сходимость. Это подтверждает, что структура консервативнее последовательности — характерная особенность отдалённо гомологичных доменов^[3].

Проект Jalview (структурное + MSA): prakt-D-struct.jvp

4. Список литературы

1. Edgar, R.C. (2004). MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Research, 32(5), 1792–1797. doi: 10.1093/nar/gkh340
2. Peter, B.J., Kent, H.M., Mills, I.G., Vallis, Y., Butler, P.J.G., Evans, P.R., McMahon, H.T. (2004). BAR domains as sensors of membrane curvature: the amphiphysin BAR structure. Science, 303(5657), 495–499. doi: 10.1126/science.1092586
3. Chothia, C., Lesk, A.M. (1986). The relation between the divergence of sequence and structure in proteins. EMBO Journal, 5(4), 823–826. doi: 10.1002/j.1460-2075.1986.tb04288.x