Учебный сайт Саввы Куликова

Практикум 9

Глобальное и локальное парное выравнивание гомологичных белков

Для анализа были выбраны три пары гомологичных белков из Escherichia coli и Bacillus subtilis: 6-фосфоглюконатдегидрогеназа (6PGD), ацетаткиназа (ACKA) и альфа-субъединица ацетил-КоА-карбоксилтрансферазы (ACCA). Для каждой пары было проведено глобальное и локальное выравнивание с помощью программ needle и water из пакета EMBOSS.

Глобальное выравнивание сопоставляет последовательности по всей длине, тогда как локальное позволяет найти наиболее похожие участки. Результаты обоих методов приведены в таблицах 1 и 2.

Глобальное выравнивание

Таблица 1. Результаты глобального выравнивания
Белок ID 1 ID 2 Score Identity (%) Similarity (%) Gaps (%) Indels
6-фосфоглюконатдегидрогеназа (6PGD) 6PGD_ECOLI 6PGD_BACSU 1718.0 70.0 83.4 0.6 0
Ацетаткиназа (ACKA) ACKA_ECOLI ACKA_BACSU 821.0 43.0 63.6 5.6 7
Альфа-субъединица ацетил-КоА-карбоксилтрансферазы (ACCA) ACCA_ECOLI ACCA_BACSU 814.5 51.1 66.0 4.3 2

Локальное выравнивание

Таблица 2. Результаты локального парного выравнивания гомологичных белков
Protein Name ID 1 ID 2 Score Identity Similarity Gaps Indels Coverage 1 Coverage 2
6PGD 6PGD_ECOLI 6PGD_BACSU 1719.0 70.1% 83.6% 3 3 99,8% 99,8%
ACKA ACKA_ECOLI ACKA_BACSU 823.5 43.3% 64.2% 21 11 98,5% 98,7%
ACCA ACCA_ECOLI ACCA_BACSU 823.5 53.8% 69.6% 3 2 98,1% 98,1%

Анализ результатов

Наиболее высокое сходство наблюдается у пары 6PGD: идентичность последовательностей составляет около 70%, а Similarity — около 84%. При переходе от глобального выравнивания к локальному значения практически не меняются. Количество гэпов также остается одинаковым. Это показывает, что сходство последовательностей сохраняется практически по всей длине белков.

Для пары ACKA идентичность составляет около 43%, а Similarity — примерно 64%. Несмотря на меньшую долю одинаковых аминокислот, последовательности имеют достаточно много консервативных замен. Результаты двух методов близки: локальное выравнивание немного увеличивает показатели сходства и уменьшает долю гэпов с 5,6% до 5,2%.

Для ACCA различия между методами выражены сильнее. При локальном выравнивании Identity возрастает с 51,1% до 53,8%, а Similarity — с 66,0% до 69,6%. Одновременно доля гэпов уменьшается с 4,3% до 1,0%. Таким образом, локальное выравнивание дает более компактное сопоставление последовательностей этой пары.

В целом результаты обоих методов согласуются между собой. Для всех трех пар белков наблюдается значительное сходство последовательностей. При этом для 6PGD и ACKA выбор метода почти не влияет на результат, тогда как для ACCA локальное выравнивание заметнее меняет показатели сходства и количество гэпов.

Результат применения программ выравнивания к неродственным белкам

Глобальное выравнивание (needle)

Таблица 3. Результаты глобального выравнивания неродственных белков
Protein Name ID 1 ID 2 Score Identity Similarity Gaps Indels
Неродственные белки ACCA_ECOLI ACKA_ECOLI 18,5 17,6% 28,6% 39,5% 17

Локальное выравнивание (water)

Таблица 4. Результаты локального парного выравнивания неродственных белков
Protein Name ID 1 ID 2 Score Identity Similarity Gaps Indels Coverage 1 Coverage 2
Неродственные белки ACCA_ECOLI ACKA_ECOLI 39,5 21,1% 36,0% 28,1% 7 64,3% 46,8%

Комментарий

Для сравнения были выбраны белки ACCA_ECOLI и ACKA_ECOLI, имеющие разные мнемоники. Глобальное выравнивание показало идентичность 17,6%, сходство 28,6% и большое количество пропусков (39,5%). При локальном выравнивании идентичность увеличилась до 21,1%, сходство — до 36,0%, а доля пропусков уменьшилась до 28,1%. При этом покрытие последовательностей локальным выравниванием составило 64,3% для ACCA_ECOLI и 46,8% для ACKA_ECOLI.

Можно заметить, что разница между глобальным и локальным выравниванием для негомологичных белков гораздо выше, чем для гомологичных белков.

Множественное выравнивание гомологичных белков

Выбор белков

В качестве мнемоники была выбрана 6PGD. Рекомендованное полное название белка из Escherichia coli — 6-phosphogluconate dehydrogenase, decarboxylating (6-фосфоглюконатдегидрогеназа, декарбоксилирующая).

Поиск записей Swiss-Prot по выбранной мнемонике позволил найти 63 записи. Для множественного выравнивания были выбраны семь белков:

Метод выравнивания

Аминокислотные последовательности были извлечены из UniProt с помощью программы seqret. Затем для построения множественного выравнивания использовалась программа MUSCLE. Полученное выравнивание было открыто в Jalview и раскрашено по проценту идентичности (Percentage Identity).

Файл проекта Jalview

Проект множественного выравнивания Jalview

Анализ выравнивания

Большая часть аминокислотных последовательностей образует хорошо сопоставимые участки. В выравнивании наблюдается значительное количество консервативных позиций, чередующихся с менее консервативными областями, в которых встречаются аминокислотные замены и вставки или делеции.