Выравнивание как отражение эволюции. JalView

Практикум 10

• Задание 1

  В этом задании я построил выравнивание 6 белков из семейства HSP70, по 2 из архей (DNAK_HALLT, DNAK_HALMA), бактерий (DNAK_MYCTO, DNAK_STRCO), эукариот (HSP7C_RAT, HSP7C_HUMAN). Я использовал программу JalView, выравнивание TcoffeeWS, раскраску ClusterX, установил порог идентичности 100%. С помощью программы infoalign из пакета EMBOSS я рассчитал количество консерватиыных а.к.о., функционально консервативных позиций, позиций, консервативных на 70%. Полное выравнивание на рисунке 1, ссылка на выравнивание. На выравнивании я разметил несколько позиций, консервативных на 80% и более (C), функционально консервативных (F), позиций с гэпами (G). Так, в позициях 6, 7, 17, 28 функциональная консервативность обуславливается наличием гидрофобных а.к.о. аланина, валина, изолейцина и лейцина. В позиции 162 присутствуют функционально идентичные остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот, имеющих положительный заряд при физиологических pH. В таблице 1 представленые результаты расчета параметров выравнивания с помощью команды infoalign пакета EMBOSS. Всего абсолютно консервативных позиций в выравнивании 218, абсолютно функционально консервативных - 337. Стоит отметить, что длина гэпов, их расположение, а также параметры неполной консервативности для пары белков, взятых из одной систематической группы, схожи или идентичны, например, как для человеческого и крысиного белка.
  
  
  
  Рис.1 Полное выравнивание.
  
  

  Имя	Длина последовательности	Длина выравнивания	Длина гэпов	Гэпы, %	Абсолютно консервативные позиции	АКП, %	Функционально консервативные позиции	ФКП, %	Позиции, консервативные на 70% и более	ПК70, %
  DNAK_HALLT_1-644	644	688	44	6,40	218	31,69	337	48,98	357	51,89
  DNAK_HALMA_1-635	635	688	53	7,70	218	31,69	337	48,98	358	52,03
  DNAK_MYCTO_1-625	625	688	63	9,16	218	31,69	337	48,98	365	53,05
  DNAK_STRCO_1-618	618	688	70	10,17	218	31,69	337	48,98	357	51,89
  HSP7C_RAT_1-646	646	688	42	6,10	218	31,69	337	48,98	330	47,97
  HSP7C_HUMAN_1-646	646	688	42	6,10	218	31,69	337	48,98	330	47,97

  Талбица 1. Абсолютно консервативные позиции.
  
  

• Задание 2.

  Для моделирования возникновения мутаций в белке я выбрал гистон H4 человека (UniProtID - H4_HUMAN), длина которого составляет 103 а.к.о. Текст скрипта, добавляющего 7 случайных мутаций в каждом поколении. Для построения выравнивания использовал программу JalView, алгоритм TcoffeeWS, раскраску ClusterX, установил порог идентичности 100%. Неисправленное выравнивание и исправленное выравнивание. В таблице 2 указаны первые 10 возникших мутаций, которые я описал после исправления.
  
  
  
  Рис.2 Неисправленное выравнивание.
  
  
  
  Рис.3 Исправленное выравнивание.
  
  

  Было, АКО(Поз.)	Стало, АКО(Поз.)	Поколение мутации
  SG(2,3)	SSG(2,3,4)	g3-g4
  S(3)	M(3)	g5-g5
  SSG(2,3,4)	SAMG(2,3,4,5)	g5-g6
  GL(10,11)	GGL(10,11,12)	g2-g3
  LG(11,12)	LRG(12,13,14)	g2-g3
  GAK(15,16,17)	GK(15,16)	g0-g1
  KR(17,18)	KGR(16,17,18)	g0-g1
  HR(19,20)	HKR(19,20,21)	g0-g1
  GR(20,21)	GER(21,22,23)	g5-g6
  HKR(21,22,23)	HHR(22,23,24)	g3-g4

  Таблица 2. Первые 10 мутаций.
  
  Я перенес лейцины из позиции 14 выравнивания в позицию 13, чтобы была идентичность. В позицию 20 вставил гэпы 1-7 поколениям, чтобы получилась полностью консервативная колонка лизинов. Перенес лизины из 30 позиции в 29.

• Задание 3.

  Для моделирования мутаций в кодирующей последовательности я использовал последовательность белка фотосистемы 2 Клевера лугового (GenBank: KX538828.1). Последовательность имеет длину 111 пар нуклеотидов, кодирует белок из 36 а.к.о. Для получения мутаций был написан скрипт, с помощью программы transeq пакета EMBOSS получена последовательность белка после введения мутаций в кодирующую последовательность. На рисунке 4 показано выравнивание алгоритмом TcoffeeWS, на рисунке 5 выравнивание ProbconsWS, в обоих случаях раскраска - Clustalx. Второе выравнивание показывает стоп-кодоны, которые появились в середине последовательности после внесения мутаций. Видно, что происходит сдвиг рамки считывания из-за однонуклеотидных вставок и делеций, а это приведет , скорее всего, к потери функции белка. В этом случае говорить о выявлении места мутаций не получится, так как сложно построить выравнивание, отражающие эти изменения. Для наглядности на рисунке 6 показано выравнивание (алгоритм TcoffeeWS раскраска Clustalx) последовательностей ДНК. Видно, что в последнем поколении помимо стоп-кодонов в последовательности первый кодон подвергся мутации и теперь кодирует аспарагин.
  
  
  
  Рис.4 Полученное выравнивание, алгоритм TcoffeeWS.
  
  
  
  Рис.5 Полученное выравнивание, алгоритм ProbconsWS.
  
  
  
  Рис.6 Выравнивание последовательности ДНК.

• Задание 4.

  Для белков есть проверка - сходство структур. Несомненно, есть схожие белковые структуры, образованные из гомологичных структур. Однако сходство белков может быть результатом конвергенции, как и в случае с макроскопическими структурами организмов на других, более высоких, уровнях жизненной организации (плавники рыб и вторичноводных млекопитающих).
  Эволюционирует нуклеотидная последовательность генома. Нуклеотидная последовательность подвергается факторам мутагенеза и ошибкам при передаче наследственной информации от родительской клетки к дочерней (ошибки репарации, репликации и тд.). Эти же ошибки определяю изменение белков, их свойств и всего организма. Именно фенотип организма подвергается естественному отбору, мутации закрепляются, если определяемые ими изменения способствуют выживанию и размножению организма.
  Только мутации в половых клетках наследуются. Организмы, способные к вегетативному и бесполому размножению, передают наследственную информацию с мутациями своим потомкам через соматические клетки. Например, при выращивании картофеля пользуются возмножностью вырастить растение из прошлогоднего клубня.