Практикум №9. Выравнивание последовательностей

2. Глобальное парное выравнивание гомологичных белков

Были выбраны пары белков для двух бактреий Escherichia coli и Bacillus subtilis, чьи идентификаторы Swiss-Prot имеют одинаковую мнемонику функции. Выбранные белки: Farnesyl diphosphate synthase, 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase и 4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol kinase.

Protein name	ID1	ID2	Score	Identity	Similarity	Gaps	Indels
Farnesyl diphosphate synthase	ISPA_ECOLI	ISPA_BACSU	525.0	37.5%	49.5%	55	4
2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase	ISPD_ECOLI	ISPD_BACSU	324.0	33.2%	53.1%	80	6
4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol kinase	ISPE_ECOLI	ISPE_BACSU	295.0	27.6%	43.8%	89	13

3. Локальное парное выравнивание гомологичных белков

Protein name	ID1	ID2	Score	Identity	Similarity	Gaps	Indels	Coverage1	Coverage2
Farnesyl diphosphate synthase	ISPA_ECOLI	ISPA_BACSU	528.0	44.9%	58.9%	4	2	88.3%	87.8%
2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase	ISPD_ECOLI	ISPD_BACSU	332.0	36.5%	56.6%	9	5	90.3%	92.2%
4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol kinase	ISPE_ECOLI	ISPE_BACSU	306.5	29.8%	46.2%	58	11	94.7%	94.1%

4. Комментарии к выравниваниям

По результатам выравнивания все белки оказались гомологичными. Об этом можно судить по показателям Identity и Similarity. Высокие проценты покрытия локального выравнивания говорят о том, что их сходство скорее всего наблюдается по всей длинне.

Однако некоторые показаетли при выравнивании белоков с мнемоникой ISPE отличались от двух предыдущих. Так, их локальное выравниевание имеет 58 гэпов, что значительно превышает данные значения для двух предыдущих пар. Показатель Identity оказался достаточно низким в обоих выравниваниях.

При визуальном анализе выравниваний можно отметить, что в глобальных и локальных выравниваниях белков с мнемониками ISPA и ISPD индели небольшие и равномерно распределены по последовательностям. В выравниваниях белков с мнемоникой ISPE наблюдается смещение инделей во вторую половину выравненных последовательностей, а так же увеличение их длин. Так, наиболее длинный индель в последовательности ISPE_ECOLI противопоставлен 217 - 237 а.о. белка ISPE_BACSU в глобальном выравнивании, полученном с помощью needle. Такие результаты могли получиться в результате глобальных генетических перестроек. Из-за них некоторые участки гомологичных белков могли стать негомологичными, что объясняет наблюдаемые отличия.

5. Результат применения программ выравнивания к неродственным белкам

Тип выравнивания	ID1	ID2	Score	Identity	Similarity	Gaps	Indels	Coverage1	Coverage2
Глобальное	ILVX_ECOLI	IF1_BACSU	13.0	4.2%	9.7%	56	2	-	-
Локальное	ILVX_ECOLI	IF1_BACSU	13.0	37.5%	50.0%	0	0	43,8%	9,7%

Данные глобального выравнивания свидетельствуют о негомологичности выбранных белков. Показатели Identity и Similarity не превышают 20%. Также данное выравнивание обладает большим количеством гэпов (56), при этом инделей всего 2.

Значения Identity и Similarity локального выравнивания неродственных белков оказались достаточно высокими. Однако стоит обратить внимание на покрытие белков в выравнивании: Coverage1 = 43,8% Coverage2 = 9,7%. Зная длины белков (ILVX_ECOLI: 16 а.о. и IF1_BACSU: 72 а.о.) можно предположить, что 7 а.о. второго короткого белка были выровнены со схожим участком первого длинного белка. В таком случае локальное выравнивание доказывает их негомологичность.

6. Множественное выравнивание белков и импорт в Jalview

Для выполнения задания была выбрана мнемоника ISPA, полное имя белка из ECOLI: Farnesyl diphosphate synthase. Для поиска всех белков, чьи идентификаторы начинаются с этой мнемоники в расширенном поиске UniPort был задан следующий запрос: (id:ISPA_*).

В результате поиска были найдены 12 записей. Для выполнения множественного выравнивания были выбраны: ISPA_AQUAE, ISPA_HAEIN, ISPA_GEOSE, ISPA_BRADU, ISPA_SINFN.

Выравнивание проводилось на сайте UniPort, после чего был скачан файлс выравниванием в FASTA-формате и открыт в Jalviewg. Колонки выравнивания были раскрашены по проценту идентичности.

Файл с проектом Jalview

По результатам множественного выравнивания можно сделать вывод о том, что выбранные белки являются гомологичными. Однако выравнивание не является одинаково хорошим для всех белков на всей длине. На участке с 1 по 27 столбец аминокислоты присутствуют лишь у 2 из 7 белков. На месте остальных последовательностей располагаются индели. Регион, наиболее выделенный при окраске по процентам идентичности, находится с 102 по 147 столбец.

В целом, выравнивание является не до конца однородным. Среди него можно выделить более и менее консервативные участки. Это может говорить о структурно-функциональных особенностях белка. Участки, наиболее важные, будут оставаться неизменными. А неспецифические области не будут подвержены стабилизирующему отбору.