Оптимальное парное выравнивание. Алгоритмы.

Практикум 11

• Задание 1

  Для сравнения глобального и локального парных выравниваний я взял два белка из практикума 10 - DNAK_HALMA и HSP7C_HUMAN. Выравнивания были построены с помощью команд пакета EMBOSS (глобальное - needle, локальное - water). Для обоих программ штраф за гэпы следующие: gapopen 10,0, gapextend 0,5; для глобального выравнивания endweight Y (по умолчанию штрафы за концевые индели отключены), endopen 10,0, endextend. Матрица весов для обеих программ - EBLOSUM62. Локальное и глобальное выравнивания отличаются концевым участком: в локальном выравнивании последовательности обрезаны по консервативным 612 и 639 остаткам глицина, так как за ними почти нет участков гомологии и присутствуют большие индели. За счет этого локальное выравнивание становится короче, уменьшается количество функционально консервативных позиций, вырезается два инделя. В остальных позициях оба выравнивания идентичны, но вырезание лишних гэпов дает локальному выравниванию больший вес. В этом случае локальное выравнивание более информативно при меньших размерах - чаще приходится сравнивать внутрибелковые структуры, а не концевые, так как первые больше подверженны эволюционным факторам в связи с выполнением строгой функции в определенной конформации.
  
  

  Тип выравнивания	Длина выравнивания	Число гэпов	Процент гэпов	Число инделей	АКП	АКП, %	ФКП	ФКП, %	Вес выравнивания
  Локальное (water)	650	49	7,54	15	302	46,46	416	64,00	1378
  Глобальное (needle)	673	65	9,66	17	305	45,32	420	62,41	1367

  Таблица 1. Сравнение парного и глобального выравнивания.
  
  
  
  Рис.1 Глобальное выравнивание.
  
  
  
  Рис.2 Локальное выравнивание.
  
  

• Задание 2

  Для анализа выравниваний негомологичных белков я построил локальные выравнивания аминокислотной последовательности своего белка MarR (ADX57967.1) попарно с последовательностями белка репарации алкилированной ДНК (ANE87960.1), ацетил - КоА синтазой (BAC69532.1), гликозил - трансферазой (ADX55361.1), белком - фактором клеточного деления (AKQ41279.1), дигуанилатциклазой (AMD46139.1). При построении выравнивания я пользовался программой water пакета EMBOSS, штраф за индель 10.0, за каждый следующий гэп 0.5, матрица весов - EBLOSUM62.
  
  

  GenBank	Длина последовательности	Длина выравнивания	Число гэпов	Процент гэпов	Число инделей	АКП	АКП, %	ФКП	ФКП, %	Вес выравнивания (со ссылкой)
  AAV48029.1	635	650	38	5,85	11	302	46,46	416	64,00	1378
  AAH19816.1	646	650	11	1,69	4	302	46,46	416	64,00
  ADX57967.1	166	50	0	0,00	0	15	30,00	24	48,00	36,5
  ANE87960.1	237	50	3	6,00	2	15	30,00	24	48,00
  ADX57967.1	166	127	19	14,96	4	31	24,41	52	40,94	43,5
  BAC69532.1	715	127	13	10,24	3	31	24,41	52	40,94
  ADX57967.1	166	154	16	10,39	4	38	24,68	54	35,06	58,0
  ADX55361.1	439	154	28	18,18	2	38	24,68	54	35,06
  ADX57967.1	166	174	31	17,82	6	40	22,99	64	36,78	44,0
  AKQ41279.1	768	174	7	4,02	2	40	22,99	64	36,78
  ADX57967.1	166	208	45	21,63	6	42	20,19	73	35,10	45,5
  AMD46139.1	452	208	20	9,62	4	42	20,19	73	35,10

  
  
  Выравнивание заведомо негомологичных последовательностей сильно отличается от такового для гомологичных белков. Процент гэпов в локальном выравнивании негомологичных последовательностей значительно больше, а процент абсолютно консервативных и функционально консервативных позиций - меньше. На рисунках 3 и 4 представлены выравнивания негомологичных последовательностей ADX57967.1 и ANE87960.1; ADX57967.1 и AMD46139.1, соответственно. Первое выравнивание в несколько раз короче самих последовательностей и представляет собой концевые участки последовательностей в которых обнаружилось наибольшее сходство. Его параметры консервативности имеют значения, несколько больше, чем у других выравниваний предположительно негомологичных последовательностей, и в примерно на столько же меньше, чем соответствующие параметры у выравнивания гомологичных последовательностей. Я построил глобальное выравнивание (Рис. 4) этих последовательностей и выяснил, что локальное выравнивание полностью соответствует части глобального. Это натолкнуло меня на мысль, что эти участки с определенной вероятностью действительно гомологичны, учитывая, что оба белка взаимодействуют с ДНК. На рисунке 4 я выделил этот участок, который, по моему мнению, можно рассмотреть как болк или несколько блоков.
  Выравнивание последней пары последовательностей представляет собой чередование в шахматном порядке участков с гэпами и а.к.о., которые расположены программой так, чтобы больше позиций получило себе такую же пару в выравнивании. Это точно не свидетельствует о гомологии данных последовательностей.
  
  
  5
  Рис.3 Выравнивания негомологичных последовательностей ADX57967.1 и ANE87960.1.
  
  
  
  Рис.4 Глобальное выравнивание последовательностей ADX57967.1 и ANE87960.1.
  
  
  
  Рис.5 Выравнивания негомологичных последовательностей ADX57967.1 и AMD46139.1




• Задание 3

  Для сравнения парных выравниваний, полуженных из множественного выравнивания Jalview, программами needle и water из EMBOSS я взял два белка использованных ранее - DNAK_HALMA и HSP7C_HUMAN. В программе Jalview я сравнил три выравнивания гомологичных последовательностей в одном окне, назначив каждому свою группу. Выравнив выравнивания относительно друг друга, не меняя колонки внутри выравниваний, я нашел некоторые отличия. Как уже было отмечено выше, локальное и глобальное выравнивания отличаются только концевыми участками, так что речь пойдет об отличиях этих парных выравниваний от части множественного выравнивания. Верхние две строчки - глобальное выравнивание, две посередине - локальное, две снизу - часть от множественного выравнивания. Для удобства буду называть последовательности внутри каждого выравнивания верхняя и нижняя. Отличия:
  • В позиции 78 фенилаланин в верхней последовательности стоит в колонке с гэпом в нижней в локальном и глобальном выравниваниях. В множественном в этой позиции стоит гэп в верней и аспарагиновая кислота в нижней.
  • Фенилаланин в множественном выравнивании стоит в 79 позиции напротив тирозина, последний в других выравниваниях стоит в 104 позиции.
  • В позиции 113 глутаминовая кислота стоит напротив лизина во множественном выравнивании, однако в парных выравниваниях этот а.к.о. стоит в 111 позиции напротив так же глутаминовой кислоты.
  • Группа остатков IDSLY в позициях выравнивания 288 - 292 стоит напротив группы IATTD в парных выравниваниях, во множественном она сдвинута влево на три позиции и гомологична LPFIA.
  • Глутаминовая кислота и глицин из позиций 294 - 295 множественного выравнивания гомологичны глицину и пролину, в то время как в парных выравниваниях они стоят в позицях 293 - 294 и гомологичны аспарагиновой кислоте и глицину, образуют косервативность в позиции 294 по глицину.
  
  
  
  
  Рис.6 Сравнение трех выравниваний.
  
  Можно сказать, что при парном выравнивании удобнее оперировать локальным или глобальным выравниванием, а не брать его из множественного, так как этими способами последовательности точнее сопоставляются друг друг. Множественное выравнивание, наоборот, и взятая из него пара иллюстрируют эволюционные преобразования в нескольких гомологичных последовательностях, позволяя нам определить позиции, консервативные в большинстве последовательностей, а значит - несущие более значимую функцию в работе белка. Более правдоподобным при парном выравнивании выглядит локальное выравнивание, как я уже говорил выше в задании 1 и здесь. Проэкт Jalview с выравниванием.