PSI‑BLAST для ζ‑кристаллина морской свинки

Что такое кристаллины и ζ‑кристаллин?

Кристаллины — это белки, которые обеспечивают прозрачность хрусталика глаза. Многие из них раньше были обычными ферментами, но потом их гены начали работать в хрусталике, и белки приобрели дополнительную структурную функцию. Такое явление называют «повторное использование генов» (gene sharing).

ζ‑Кристаллин морской свинки (белок P11415) — пример такого белка. В хрусталике он выполняет структурную роль, но одновременно является ферментом НАДФН:хинон оксидоредуктазой (обезвреживает токсичные хиноны). Исследования показали, что этот белок произошёл от обычного фермента оксидоредуктазы. Цель PSI‑BLAST — найти не только близкие копии ζ‑кристаллина у других животных, но и его далёких родственников, в том числе бактериальные ферменты, которые могут быть предками.

Результаты PSI‑BLAST (4 итерации)

Исходная последовательность: P11415 (ζ‑кристаллин морской свинки, 329 аминокислот).
База данных: Swiss‑Prot. Параметры: PSI‑BLAST, порог включения E‑value < 0.005.

Динамика числа находок

Итерация	Всего последовательностей с E<0.005	Из них новых	Заметные семейства / комментарии
1	582	582	ζ‑кристаллины млекопитающих (морская свинка, человек, крыса, бык, мышь, лама, свинья), а также VAT1‑подобные оксидоредуктазы.
2	914	332	Появляются НАДФН:хинон оксидоредуктазы (PIG3 из человека, VAT1), алкогольдегидрогеназы, L‑треонин‑3‑дегидрогеназы, поликетидсинтазы грибов и бактерий.
3	1101	187	Расширение семейства оксидоредуктаз, добавление бактериальных алкогольдегидрогеназ, эноил‑редуктаз. Чётко виден переход к ферментам, не связанным с хрусталиком.
4	1933	832	Дальнейшее включение дегидрогеназ, короткоцепочечных редуктаз, метилтрансфераз. Рост числа находок за счёт гомологов алкогольдегидрогеназ и родственных оксидоредуктаз.

С каждой итерацией поисковый профиль становился более чувствительным и находил всё более далёких родственников, включая белки с аннотацией «NADPH:quinone reductase», что полностью соответствует литературным данным о предке ζ‑кристаллина.

Ключевые находки – предковый белок

Уже на второй итерации в результатах появляются белки, прямо названные NADPH:quinone oxidoreductase (например, PIG3 – Q53FA7, VAT1 – Q99536). Также были найдены бактериальные гомологи:

Quinone oxidoreductase из Pseudomonas aeruginosa (P43903) – E‑value около 2e‑73.
Zeta-crystallin homolog из Escherichia coli (P28304, QOR_ECOLI).
Множество алкогольдегидрогеназ и L‑треонин‑3‑дегидрогеназ, что указывает на принадлежность ζ‑кристаллина к суперсемейству цинксодержащих алкогольдегидрогеназ.

Наличие в результатах «кристаллиноподобных» оксидоредуктаз из бактерий подтверждает гипотезу о том, что структурная функция в хрусталике – эволюционно позднее приобретение, а исходная ферментативная активность сохранилась у многих гомологов.