Быстрые пути эволюции белков. Эволюционный домен . БД PFAM .

1. Быстрые пути эволюции белков. Эволюционный домен. БД PFAM.

2. План • Белок – продукт гена • Пути эволюции белков • Мутации ДНК и их следствия для последовательностей белков • Наблюдаемые явления в последовательностях белков • локальные мутации • повторы • эволюционные домены • мотивы и циклические перестановки • ДНК-метилтрансферазы • [эндонуклеазы рестрикции] • RdRP • БД Pfam • Другие ресурсы

3. «Продукт» гена транскрипция процессинг (модификация РНК) Г Е Н Зрелые rRNA, tRNA и др. RNA РНК-предшественник Посттрансляционная модификация Сплайсинг (у эукариот) Трансляция Г Е Н пре-мРНК (предшественник) mRNA (зрелая) Белок - предшественник Зрелый белок 1 (mature protein) Альтернативный сплайсинг Белок 2 mRNA (зрелая) Белок - предшественник Г Е Н пре-мРНК (предшественник) mRNA (зрелая) Белок - предшественник Белок 3 • Что определяет последовательность белка: • сигнал начала трансляции • сигналы сплайсинга (эукариоты) • стоп-кодон • (редкие сигналы: запланированный сдвиг рамки, ….) • кодирующая последовательность

4. Мутации ДНК и их следствия для последовательности белка • Мутации соматические и мутации наследуемые • Пресс отбора • Аллельные варианты (эукариоты)

5. Мутации ДНК и их следствия для последовательности белка • Локальные мутации в сигналах • потеря стоп-кодона: • удлинение на С-конце за счет “случайной” последовательности • слияние белков (прокариоты) • потеря сайта инициации трансляции: • удлинение на N-конце за счет “случайной” последовательности • потеря части N-концевой последовательности • потеря донорного сайта сплайсинга (эукариоты) : • вставки “случайной” последовательности за счет включения интрона • замена C-концевой последовательности на случайную (при сдвиге рамки из-за вставки интрона в экзон) • потеря акцепторного сайта сплайсинга (эукариоты) : • делеция части последовательности из-за потери экзона • делеция части последовательности с заменой последующей C-концевой последовательности на случайную (при сдвиге рамки из-за потери экзона)Примечание. Варианты усложняются при альтернативном сплайсинге

6. Мутации ДНК и их следствия для последовательности белка • Локальные мутации в кодирующей последовательности • замена нуклеотида: • последовательность белка без изменений • замена аминокислотного остатка • мутация типа indel без сдвига рамки: • делеция/вставка аминокислотных остатков • мутация типа indel со сдвигом рамки: • замена C-концевого участка на “случайную” последовательность • слияние белков (прокариоты) • образование стоп-кодона: • потеря C-концевой последовательности • двойная мутация типа indel с восстановлением рамки: • замена участка на “случайную” последовательность • образование нового сайта сплайсинга, донорного или акцепторного (эукариоты): • вставки “случайной” последовательности или делеции участков (много вариантов)

7. Нелокальные мутации ДНК, которые могут изменять последовательности белков • Дупликация фрагмента ДНК • образование паралога • образование повтора в белке • Нерепликативная транспозиция • образование нового белка из частей старых • перестановка частей одного белка • Инверсия фрагмента ДНК

8. Гомология нуклеотидных и аминокислотных последовательностей • При перечисленных видах мутаций ДНК, кроме вставок нескольких нуклеотидов, прослеживается потомком какого нуклеотида генома предка является данный нуклеотид. • При многих видах мутаций (но не всех!) то же верно и для аминокислотных остатков • Поэтому можно говорить о гомологичности последовательностей и их “букв” • Как правило, о гомологичности приходится судить по сходству последовательностей

9. Частоты мутаций • Точечные: 10-11 --- 10-6 на сайт на поколение • Рекомбинация: ??? • при сравнении геномов бруцелл пара процентов замен ДНК ( 10000 замен на 1 млн. п.н.) и, очень грубо, несколько 1000 рекомбинаций (1000? на 1млн п.н.)

10. Примеры сравнений геномов

11. У далеких видов – E.coli и H.influenza – остаются общие гены и, иногда, порядок следования нескольких генов, но не более того!

12. Сравнение двух штаммов et al.

13. Вывод: • Наследуемые рекомбинации бактериальных геномов происходят достаточно часто; хотя по числу их и меньше, чем замен. Что же происходит с белками?

14. Наблюдаемые события в эволюции белков • Замены, вставки, делеции остатков • Эволюционные домены: • протяженные сходные последовательности в разных белках, окруженные негомологичными участками • часто (но не всегда) участвующие в “премешивании доменов” • часто (но не всегда) последовательность изолированного домена имеет стабильную пространственную структуру • часто (но не всегда) домену можно приписать функцию

15. Белки, содержащие два эволюционных домена: гомеодомен и OAR домен (N-концевые участки не показаны)

16. Гомеодомены активно перемешивались в эволюции. • Об этом можно судить по 65(!) различным доменным архитектурам гомеобелков, представленным в банке Pfam Гомеодомен Парный домен и гомеодомен Lim домены и гомеодомен Гомеодомен, продолженный Лейциновой молнией POU домен и гомеодомен Два гомеодомена PBX-домен и гомеодомен

17. Домены, найденные в последовательностях, часто, но далеко не всегда совпадают со структурными доменами.

18. Накопленные данные показывают что существуют “структурные единицы” наследуемой рекомбинации – эволюционные домены; они переставляются/вставляются/удаляются, как правило, целиком Бывают исключения: пример - ДНК метилтрансферазы

19. Вывод: • Домены – структурные единицы эволюции, структуры и функции белка

20. Ортологи — последовательности, возникшие из одного общего предшественника в процессе видообразования. Ортологи, как правило, имеют одну и ту же функцию Паралоги — последовательности, возникшие из одного общего предшественника в результате дупликации одного гена в одном организме. Паралоги, как правило, имеют разные функции.

21. Типы мотивов Типы подписей Паттерн (pattern) – Профиль–PSSM – Профиль–HМM - ….. Сайт(site) - Мотив (motif) – Повтор(repeat)– Домен(domain) – Семейство – Суперсемейство - Простой пример: CCHC-цинксвязывающий мотив Подпись типа паттерн –CX2CX4HX4C Словарик

22. Почему это интересно? Ничто удачное не должно пропасть даром Точечные мутации  медленный путь эволюции Быстрый путь  дупликация Дуплицируются короткие фрагменты, домены, гены, кластеры генов, хромосомы, геномы Вторая копия может приобрести новые функции

23. Пример доменных перестроек: не только дупликации! 223 белка ЕС 4.1.2.25 243 белка ЕС 2.7.6.3 507 белков ЕС 2.5.1.15 • 25 белков • 9 белков • 2 белка • 12 белков

24. Пример 4

25. Pfam • http://pfam.sanger.ac.uk • Большая коллекция семейств доменов Для каждого семейства есть множественное выравнивание и профиль-HMM . • Состоит из 2-х частей: • PfamA – курируемая часть, покрывает 76% UniProt • PfamB – большое число маленьких семейств из автоматически сгенерированной базы доменов, не вошедших в PfamA (раньше –ProDom, теперь –ADDA) . • Удобна для анализа доменной структуры белков.

26. Язык Pfam : Семейство – коллекция гомологичных белков. Домен – структурная единица, которую можно найти во множественном выравнивании. Повтор – короткая единица, нестабильная сама по себе, но образует стабильные структуры, если есть много копий. Мотив – короткая единица структуры вне глобулярных доменов. Клан – группа родственных записей.

27. Сравните Pfam Prosite Prints Blocks Smart (ProDom, PIRaln, ProClass, Systers, Picasso etc. not shown)

28. Создание интегрированной базы данных InterPro PROSITE InterPro entries IPR000001- IPR011000 PFAM PRINTS Интегрирование родственных подписей «вручную» ProDom SMART TIGRFAMs PIRSF SUPERFAMILY InterPro- an integrated resource of protein families, domains and functional sites.

29. Collagen alpha-1(III) chain (HUMAN) … GPPGPAGFPGAPGQNGEPGGKGERGAPGEKGEGGPP GVAGPPGGSGPAGPPGPQGVKGERGSPGGPGAAGFP … Гипотеза: коллагены возникли в результате тандемных дупликаций девятки пар нуклеотидов (?)