Практикум по выравниванию последовательностей белков

Глобальное и локальное парные выравнивания гомологичных белков

В результате глобального и локального парного выравнивания трёх пар последовательностей гомологичных белков из организмов Escherichia coli и Bacillus subtilis были составлены таблицы с основными характеристиками данных выравнивай. Глобальное парное выравнивание (см. таблицу 1) было проведено с помощью программы needle из пакета биоинформатических программ EMBOSS. Локальное парное выравнивание (см. таблицу 2) проводилось с помощью программы water из того же пакета программ.

Таблица 1. Характеристики глобального парного выравнивания трёх пар белков.

Protein name	ID 1	ID 2	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels
Biotin synthase	BIOB_ECOLI	BIOB_BACSU	470.0	28.5	49.1	69	9
Copper-exporting P-type ATPase	COPA_ECOLI	COPA_BACSU	1488.0	39.9	57.9	94	20
RNA-binding protein Hfq	HFQ_ECOLI	HFQ_BACSU	157.0	29.1	46.6	31	3

По результатам выдачи обеих программ и анализа характеристик обоих выравниваний, можно сделать несколько выводов:
Во-первых, белок под названием Copper-exporting P-type ATPase из трёх выровненных пар белков с наибольшей вероятностью является гомологичным по всей длине (т.к. имеет наибольший процент Identity и Similarity), однако остальные белки, хотя и с меньшей вероятностью, тоже являются гомологичными (Identity везде больше 25%, а Similarity около 50%).
Во-вторых, все выровненные белки определённо имеют гомологичные участки, ибо Identity во всех случаях составляет не менее 35%, а Similarity — не менее 50%. В случае с белком RNA-binding protein Hfq Similarity вообще превышает 70%, что говорит о том, что данный белок в обоих организмах содержит высококонсервативные участки своей аминокислотной последовательности. Также интересно отметить, что локальное и глобальное выравнивания для белка Copper-exporting P-type ATPase (COPA) практически не отличаются по своим характеристикам, что также подтверждает наше предположение о том, что этот белок с высокой долей вероятности гомологичен по всей длине.
В-третьх, можно заключить, что во всех трёх случаях локальное выравание более информативно по сравнению с глобальным (Identity и Similarity в случае с локальным выраваниванием больше), ибо позволяет с большей точностью определить, гомологичны ли данные белки или нет.

Результат применения программ выравнивания к неродственным белкам

Было проведено глобальное (см. таблицу 3) и локальное (см. таблицу 4) выравнивания пары негомологичных (случайных) белков из вышеупомянутых прокариотических организмов. Характеристики обоих выравниваний приведены в соответствующих таблицах.

Таблица 3. Характеристики глобального парного выравнивания пары случайных белков.

Protein name	ID 1	ID 2	Score	% Identity	% Similarity	Gaps	Indels
Lactose operon repressor/Flotillin-like protein FloT	LACI_ECOLI	FLOT_BACSU	29.5	3.9	7.6	585	5

Исходя из наблюдаемых характеристик выравниваний, нетрудно заметить, что процент Identity и Similarity даже в локальном парном выравнивании весьма мал (первое меньше 25%), что практически однозначно говорит в пользу того, что данные белки являются неродственными. Также можно отметить весьма маленький вес обоих выравниваний, а также сравнительно большое число гэпов относительно выравниваний гомологичных белков.

Множественное выравнивание белков и импорт в Jalview

Для проведения множественного выравнивания аминокислотных последовательностей был выбран белок с мнемоникой HFQ. Полное рекомендованное имя белка: RNA-binding protein Hfq. Всего для таких белков нашлось 400 записей в базе данных Swiss-Prot. Для проведения выравнивания были выбраны, помимо соответствующих белков из ECOLI и BACSU, следующие белки: HFQ_HYDCU, HFQ_ACIET, HFQ_RUMCH, HFQ_SINFN, HFQ_RHOPA.
Само выравнивание осуществлялось следующим образом: сначала был составлен текстовый файл, содержащий идентификаторы записей выбранных белко из Swiss-Prot. Затем формат данного файла был изменён на .fasta при помощи программы seqret, после чего было проведено собственно само выравнивание с помощью программы muscle. Была использована следующая команада:

muscle -align hfq.fasta -output hfq_alignment.fasta

Затем результаты выравнивания были импортированы в программу Jalview. Ссылка на проект. Судя по результатам множественного выравнивания, а именно по наличию относительно большого количество гомологичных участков, можно сказать, что все 7 последовательностей белков хорошо выровнялись. Гомологичными являются участки со следующими координатами (n — номер аминокислоты в выравнивании): 1, 8-9, 11-13, 18, 26, 28, 30-31, 34, 36, 41-42, 44, 47-48, 55, 57-64 (наиболее длинный гомологичный участок выравнивания), 67. С высокой долей вероятности все 7 выровненных белков являются гомологичными.