Практикум 4. Реконструкции филогении

В данном практикуме необходимо было найти в протеомах отобранных 7 бактерий достоверные гомологи белка CLPX_ECOLI (ATP-связывающую субъединицу ATP-зависимой Clp протеазы Escherichia coli) с помощью программы blastp с поогом на E-value 0,0001.

Рис. 1 список находок из выдачи BLAST
Рис. 2 Таксономия исследуемых организмов

Далее для отобранных последовательностей с помощью программы fastme с эволюционной моделью MtREV и 100 репликами бутстрепа было реконструировано филогенетическое дерево.

Рис. 3 Филогенетическое дерево исследуемых организмов построенное по гомологичным последовательностям к CLPX_ECOLI (укоренено в среднюю точку). На полученном дереве можно выделить три основные ортологические группы и группу RUVB_BARHE. Зелёным цветом обозначены ATФ-связывающие субъединицы Clp-протеазы. Синим цветом выделены ATФазные субъединицы HslU, входящие в состав HslUV-протеазы. Голубым цветом отмечены ATФ-зависимые цинковые металлопротеазы FtsH.
Скобочная формула дерева

Три пары паралогов: белки из одного организма, появившиеся в результате дупликации гена в прошлом

1. CLPX_BARHE и HSLU_BARHE

2. CLPX_AGRFC и HSLU_AGRFC

3. CLPX_BRUSU и HSLU_BRUSU

Также паралогами будут, например, CLPX_BARHE и RUVB_BARHE, так как они гомологичны, но выполняют разные функции в одной клетке.

Три пары ортологов: один и тот же белок в разных организмах, разделившийся в момент расхождения видов

1. CLPX_BARHE и CLPX_BRUSU

2. HSLU_HAEIN и HSLU_SHEDO

3. CLPX_HAEIN и CLPX_SHEDO

Видно, что дерево сначала делится на функциональные группы (ClpX отдельно, HslU отдельно). Это говорит о том, что дупликация, создавшая эти два семейства, произошла гораздо раньше, чем разделились виды бактерий. Группу RUVB_BARHE можно охарактеризовать как высокодивергентного удаленного гомолога. Хотя RuvB, ClpX и HslU относятся к одному суперсемейству АТФаз, их функции в клетке кардинально различаются:

ClpX и HslU — это шапероны/анфолдазы, которые участвуют в деградации белков

RuvB — это ДНК-хеликаза, участвующая в рекомбинации и репарации ДНК.

Сравнение реконструированной филогении ортологической группы с филогенией бактерий.

1. Группа HslU:

Ветвь {BARHE, BRUSU}: Полное совпадение. На дереве таксономии это сестринские виды.

Ветвь {BARHE, BRUSU, AGRFC}: Полное совпадение.

Ветвь {HAEIN, SHEDO}: Полное совпадение.

Ветвь {HAEIN, SHEDO, AROAE}: это правильная ветвь, хотя в ней и нет POLAQ.

1. Группа ClpX:

Ветвь {BARHE, BRUSU, AGRFC}: Совпадает с таксономией (клада Альфа-бактерий).

Ветвь {HAEIN, SHEDO}: Совпадает (клада Гамма-бактерий).

Ветвь {HAEIN, SHEDO, AROAE}: Противоречие. На дереве гомологов белок AROAE оказывается ближе к гамма-бактериям, чем POLAQ. Однако на дереве таксономии именно POLAQ должен быть ближе к ним.

1. Верхний кластер:

Ветвь {BARHE, AGRFC}: Противоречие. На дереве гомологов BARHE и AGRFC — ближайшие родственники. Но на дереве таксономии BARHE должен быть в паре с BRUSU.

Рис. 4 Филогенетическое дерево гомологов CLPX_ECOLI, на котором ортологические группы "схлопнуты". В синей кладе отсутствют белки бактерии POLAQ, в зелёной кладе находятся белки изо всех семи бактерий, а в голубой — BARHE, AGRFC, BRUSU.