Выравнивание … … последовательностей белков и его биологический смысл. - презентация

1 Выравнивание … … последовательностей белков и его биологический смысл

2 Что изображено? Название последовательности Номер столбца выравнивания Номер последнего в строке остатка ИЗ ЭТОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Консервативный остаток Функционально консервативная позиция

3 Правильно ли выровнены последовательности?

4 В чем биологический смысл выравнивания? Буквы в одной колонке определяют сопоставление аминокислотных остатков двух белков Сопоставленные остатки, по идее, должны иметь что-то общее в молекулах белка; что??? Предложение: биологический смысл имеет сопоставление одинаковых или функционально сходных остатков белка. Эти остатки играют сходную роль. Сопоставление непохожих остатков не имеет смысла.

5 Какое выравниваниеправильнее? 13 консервативных остатков 12 консервативных остатков

6 Чтобы понять смысл выравнивания, вернемся к тому, что такое последовательность аминокислотных остатков и что такое белок

7 (i)Последовательность – удобный способ закодировать структурную (химическую) формулу молекулы белка (до посттрансляционных модификаций) (iii) Последовательность определяет в какую пространственную структуру свернется белок в клетке (ii) Белок – это большая молекула, сохраняющая в живой клетке постоянную пространственную структуру, т.е.– взаимное расположение ковалентно связанных атомов (конформацию) (iv) Функция белка в клетке (и некоторые хим. свойства) проявляется только при сохранении уникальной пространственной структуры

8 Пространственное совмещение полипептидных цепей белков mta1_yeast и mat2_yeast На плоской картинке видно плохо

9 Белок Белок 1 Схематическое изображение совмещенных структур С α атомы Соответствие между С α атомами двух совмещенных структур, основанное на близости в пространстве

10 Другой способ отобразить совмещение полипептидных цепей называется структурным выравниванием последовательностей Стрелки как на предыдущем слайде Вставка трех остатков

11 Что вставить Пример получше Участки выравнивания, невыравнивания, разрывы/вставки Биологически обоснованное выравнивание Разметка Проблема Решение Анализ ответа

12 Совмещение структур и выравнивание последовательностей

13 Случайное совпадение C_alpha атомов в пространстве

14

15 Еще раз: разметка по совмещенным структурам

16 Биологически обоснованное выравнивание Включает выделение участков где выравнивание есть и тех, где выравнивания нет

17 См. файл homeo_5.ent скрипт homeo_5.spt * Совмещение доменов разных белков: - гомеодомена из белка MatA1 (1LE8:A, mta1_yeast) и - гомеодомена из белка Matα2 (1MNM:C, mat2_yeast) и еще трех гомеодоменов * Основная функция гомеодоменов – узнавание сайтов (участков с определенной последовательностью) ДНК и Связывание с ними для регуляции экспрессии генов

18 Биологически обоснованное выравнивание гомеодоменов

19 Совмещение 5-и гомеодоменов См. Homeo_5.ent

20 Множественное выравнивание гомеодоменов Красным выделены консервативные (одинаковые у всех) остатки; желтым – на 80% консервативные (одинаковые почти у всех) остатки Красным выделены консервативные и функционально консервативные остатки

21 Размеченное множественное выравнивание

22 Функции аминокислотных остатков Trp48 Arg53 Leu16 Pro442/ Lys442

23 См. Homeo_5.ent скрипт homeo_5_aa.spt

24 Мы видели белки с разной последовательностью, имеющие очень сходную укладку полипептидной цепи в пространстве * Зачем? * Почему?

25 Вывод: некоторые (не все!) остатки из одного столбца биологически обоснованного выравнивания имеют сходную функцию Поэтому в правильном выравнивании много консервативных аминокислотных остатков и функционально консервативных позиций

26 Выравнивание и эволюция Последовательности белка оболочки из двух штаммов вируса Коксаки

27 .. Последовательности белка оболочки из двух штаммов вируса Коксаки и энтеровируса человека

28 Аминокислотные остатки в одной колонке биологически обоснованного выравнивания, как правило, произошли из одного и того же остатка - их общего предка Кроме случаев лабораторного генно-инженерного мутагенеза это трудно проверить экспериментально!

29 ПРОБЛЕМА: как построитьправильное выравнивание последовательностей белков если структуры белков неизвестны?

30 Острота проблемы вытекает из статистики: На сегодня известны: последовательности примерно 5 млн(!!!) белков (большинство – гипотетические, как белок из записи Q9ZWN8_CERRI ) пространственные структуры около 30 тыс. белков

31 Алгоритмические решения проблемы воплощены в программах Программы выравнивания последовательностей тестируются путем сравнения с биологически обоснованными – построенными по совмещению структур – выравниваниями Существуют базы данных структурных выравниваний последовательностей (BAliBAse и др.)

32 Предположим, известны структуры родственных белков и, значит, биологически обоснованное выравнивание последовательностей При > 60% совпадающих букв любая современная программа даст (почти) правильный результат При < 20% совпадающих букв (такие примеры существуют) ни одна программа не даст правильного выравнивания Между 20% и 60%, обычно, результат программы частично правилен

33 (*) Справедливы ли положения с предыдущего слайда для выравнивания последовательностей ДНК? последовательностей РНК?

34 Итак, биологический смысл выравнивания последовательностей белков С α атомы остатков в одной колонке обоснованного выравнивания примерно одинаково расположены в структурах белков (с оговорками из-за возможных изменений конформации белка в процессе его функционирования) В части столбцов остатки всех белков имеют сходные функции Остатки из одной колонки обоснованного выравнивания, скорее всего, произошли от одного остатка общего предка белков