Домены. Pfam. HMM профиль.

Задание 1. Построить выравнивание представителей домена Pfam белков с разной доменной архитектурой.

Характеристика рассматриваемого домена:

ID: ADAM_CR AC: PF08516 описание домена: ADAM cysteine-rich (сокр. A Disintegrin And Metalloproteinase). Домен ADAM-протеаз, которые отщепляют внеклеточный фрагмент мембранных белков. ADAM-протеазы участвуют в протеолизе, слиянии клеток, адгезии и передаче сигналов между клетками. Домен ADAM_CR усиливает связывающую способность дизинтегринового домена, а также регулирует металлопротеазную активность белка ADAM13.

Рис.1. Строение мембранных белков, содержащих домен ADAM_CR (cysteine-rich)

В программе Jalview было скачано выравнивание всех последовательностей (File > Fetch Sequences > БД - Pfam (Full) > AC - PF08516). Далее выравнивание было раскрашено по консервативности, а также была добавлена одна 3D-модель (вот полученный проект, а вот он же в fasta-формате).

Доменные архитектуры

В Pfam нашлось 67 доменных архитектур, куда входит ADAM_CR

Характеристика некоторых доменных архитектур:

Доменная архитектура, её обозначение в выравнивании	Число представителей	Характеристика других доменов
Disintegrin, ADAM_CR X	55	Disintegrin - короткие пептиды (45-84 а.к.о.) из яда змей семейства Гадюковых. Эти пептиды способны ингибировать агрегацию тромбоцитов, тем самым нарушая свёртывание крова, а также ингибируют интегрин-зависимую клеточную адгезию за счёт связывания с интегрином на поверхности клетки.
Pep_M12B_propep, Reprolysin, Disintegrin, ADAM_CR, EGF_2 Y	160	Pep_M12B_propep - пропептид представителей семейства пептидаз М12В. Reprolysin (М12В, также известны как адамализины) - семейство цинк-зависимых металлопептидаз. В основном, представлено эндопептидазами из яда змей семейства Гадюковых, однако есть и некоторые белки млекопитающих (однако их ферментативная активность не доказана). Disintegrin - см. выше EGF_2 - эволюционно консервативный домен, впервые обнаруженый в эпидермальом факторе роста (epidermal growth factor - отсюда название). Встречается в большом количестве белков, в основном, секретируемых в организме животного, или составляют внеклеточные участки мембранных белков.

С помощью скрипта swisspfam_to_xls.py с сайта kodomo был получен файл с информацией о доменной архитектуре каждой из последовательностей.
Командная строка: python swisspfam_to_xls.py -z /srv/databases/pfam/swisspfam.gz -p PF08516 -o ok.xlsx

Далее с помощью различных фильтров доменов были выделены лишь белки, соответствующие выбранным архитектурам. Затем через функцию Retrieve в Uniprot был скачен text-файл, с помощью которого в дальнейшем была найдена таксономия организмов, которым принадлежит белок.
Командная строка: python uniprot_to_taxonomy.py -i fixed.txt -o taxon.txt

Данные из этого файла были добавлены на страницу таблицы Excel с отобранными белками.

Далее от каждого домена было отобрано ~ по 15 белков от типов Ecdysozoa и Chordata (в финальном варианте таблицы Excel зелёным выделены Ecdysozoa, а сиреневым - Chordata). Их последовательности были скачены также через Retrieve в Uniprot.
Итоговый файл Excel: тут.

С помощью программы JalView было построено выравнивание выбранных белков, обрезаны только участки, соответствующие желаемому домену, для наглядности аминокислотные остатки были раскрашены по консервативности. В выравнивании я не стала удалять концевые участки, так как для представителей группы X|Ecdys (белков Ecdysozoa с доменной архитектурой X), если верить выравниванию, характерны протяжённые индели в этих позициях. Эта закономерность показалась мне интересной, поэтому концевые участки остались нетронутыми.
Проект выравнивания выбранных белков: тут.

Задание 2. Построить филогенетическое дерево последовательностей домена.

На основе выравнивания в программе MEGA было построено дерево методом Minimum-Evolution с дополнительным параметром Bootstrap method: 100 реплик.

Рис.2. Филогенетическое дерево

Скобочная формула дерева: здесь.

По полученному дереву сложно однозначно судить о ходе эволюции домена. Однако заметно, что всё дерево можно разделить на клады, составленные, за редким исключением, белками одной доменной архитектуры. Клады с доменной архитектурой Х выделены на Рис.2 зелёным цветом, клады с архитектурой Y - голубым. Можно предположить, что разделение двух доменных архитектур произошло у общего предка Ecdysozoa и Chordata, и эволюция домена шла независимо в рамках своей доменной архитектуры.