Белок надсемейство является самой крупной группировкой ( клады ) из белков , для которых общее происхождение можно сделать вывод (см гомологии ). Обычно это общее происхождение выводится из структурного выравнивания [1] и механистического сходства, даже если сходство последовательностей не является очевидным. [2] Затем можно вывести гомологию последовательностей, даже если она не очевидна (из-за низкого сходства последовательностей). Суперсемейства обычно содержат несколько семейств белков, которые демонстрируют сходство последовательностей в каждом семействе. Термин « протеиновый клан» обычно используется для обозначения протеаз и гликозилгидролаз.надсемейств, основанных на классификационных системах MEROPS и CAZy . [2] [3]
Идентификация
Суперсемейства белков идентифицируют с использованием ряда методов. Близкородственные члены могут быть идентифицированы разными методами, нежели те, которые необходимы для группировки наиболее эволюционно расходящихся членов.
Сходство последовательностей
Исторически сходство различных аминокислотных последовательностей было наиболее распространенным методом определения гомологии . [5] Сходство последовательностей считается хорошим предиктором родства, поскольку похожие последовательности более вероятны в результате дупликации генов и дивергентной эволюции , чем в результате конвергентной эволюции . Аминокислотная последовательность обычно более консервативна, чем последовательность ДНК (из-за вырожденного генетического кода ), поэтому это более чувствительный метод обнаружения. Поскольку некоторые аминокислоты имеют сходные свойства (например, заряд, гидрофобность, размер), консервативные мутации, которые меняют их местами, часто являются нейтральными для функции. Наиболее консервативные участки последовательности белка часто соответствуют функционально важным участкам, таким как каталитические участки и участки связывания, поскольку эти участки менее устойчивы к изменениям последовательности.
Использование сходства последовательностей для вывода гомологии имеет несколько ограничений. Не существует минимального уровня сходства последовательностей, гарантирующего создание идентичных структур. В течение длительных периодов эволюции родственные белки могут не обнаруживать сходства последовательностей друг с другом. Последовательности со множеством вставок и делеций также иногда бывает трудно выровнять и, таким образом, идентифицировать области гомологичных последовательностей. В роде ПА из протеаза , например, ни один остаток сохраняется через надсемейство, даже не те , в каталитической триаде . И наоборот, отдельные семейства, составляющие суперсемейство, определяются на основе выравнивания их последовательностей, например, семейство протеазы C04 в клане PA.
Тем не менее, сходство последовательностей является наиболее часто используемой формой доказательства для вывода о родстве, поскольку количество известных последовательностей значительно превышает количество известных третичных структур . [6] В отсутствие структурной информации сходство последовательностей ограничивает пределы того, какие белки могут быть отнесены к суперсемейству. [6]
Структурное сходство
Структура гораздо более консервативна с точки зрения эволюции, чем последовательность, так что белки с очень похожими структурами могут иметь совершенно разные последовательности. [7] В течение очень длительного периода времени эволюции очень немногие остатки демонстрируют детектируемую консервацию аминокислотной последовательности, однако вторичные структурные элементы и третичные структурные мотивы являются высококонсервативными. Некоторая динамика белка [8] и конформационные изменения структуры белка также могут сохраняться, как это видно в суперсемействе серпинов . [9] Следовательно, третичную структуру белка можно использовать для обнаружения гомологии между белками, даже если в их последовательностях не осталось доказательств родства. Программы структурного выравнивания , такие как DALI , используют трехмерную структуру интересующего белка для поиска белков с похожими складками. [10] Однако, в редких случаях, родственные белки могут эволюционировать, чтобы стать структурно несходными [11], и родство может быть установлено только другими методами. [12] [13] [14]
Механическое сходство
Каталитический механизм ферментов в пределах надсемейства обычно сохраняются, хотя субстрат специфичность может существенно отличаться. [15] Каталитические остатки также имеют тенденцию располагаться в том же порядке в последовательности белка. [16] Для семейств протеаз в клане PA, хотя произошла дивергентная эволюция остатков каталитических триад, используемых для проведения катализа, все члены используют аналогичный механизм для выполнения ковалентного нуклеофильного катализа белков, пептидов или аминокислот. [17] Однако одного механизма недостаточно, чтобы сделать вывод о родстве. Некоторые каталитические механизмы конвергентно развивались несколько раз независимо и поэтому образуют отдельные суперсемейства [18] [19] [20], а в некоторых суперсемействах обнаруживается ряд различных (хотя часто химически схожих) механизмов. [15] [21]
Эволюционное значение
Белковые суперсемейства представляют собой текущие пределы нашей способности определять общее происхождение. [22] Это самая крупная эволюционная группировка, основанная на прямых доказательствах, которые возможны в настоящее время. Таким образом, они являются одними из самых древних эволюционных событий, изученных в настоящее время. Некоторые надсемейства имеют присутствующих членов во всех царств в жизни , что свидетельствует о том , что последний общий предок , что надсемейство был в последний универсальный общий предок всего живого (LUCA). [23]
Члены надсемейства могут принадлежать к разным видам, причем предковый белок является формой белка, существовавшего у предковых видов ( ортология ). И наоборот, белки могут принадлежать к одному виду, но произошли от одного белка, ген которого был продублирован в геноме ( паралогия ).
Диверсификация
Большинство белков содержат несколько доменов. От 66 до 80% эукариотических белков имеют несколько доменов, в то время как около 40-60% прокариотических белков имеют несколько доменов. [5] Со временем многие суперсемейства доменов смешались. Фактически, очень редко можно найти «последовательно изолированные суперсемейства». [5] [1] Когда домены объединяются, порядок доменов с N-конца на C («архитектура домена») обычно хорошо сохраняется. Кроме того, количество комбинаций доменов, наблюдаемых в природе, невелико по сравнению с количеством возможностей, предполагая, что отбор действует на все комбинации. [5]
Примеры
Суперсемейство α / β гидролаз - члены разделяют α / β лист, содержащий 8 цепей, соединенных спиралями , с каталитическими триадными остатками в том же порядке, [24] активности включают протеазы , липазы , пероксидазы , эстеразы , эпоксидгидролазы и дегалогеназы . [25]
Суперсемейство щелочных фосфатаз - члены имеют сэндвич-структуру αβα [26], а также выполняют общие беспорядочные реакции по общему механизму. [27]
Суперсемейство глобинов - члены разделяютглобулярную глобиновую складку с 8- альфа спиралью . [28] [29]
Суперсемейство иммуноглобулинов - члены имеют сэндвич-структуру из двух листов антипараллельных β-цепей ( Ig-складку ) и участвуют в распознавании, связывании и адгезии . [30] [31]
PA clan - члены разделяют химотрипсиноподобную двойную β-бочкообразную складку и аналогичныемеханизмы протеолиза , но идентичность последовательностей <10%. Клан содержит как цистеиновые, так и сериновые протеазы (разные нуклеофилы ). [2] [32]
Суперсемейство Ras - члены имеют общий каталитический G-домен 6-нитевого β-листа, окруженного 5 α-спиралями. [33]
Суперсемейство серпинов - члены разделяют высокоэнергетическую стрессовую складку, которая может претерпевать большие конформационные изменения , которые обычно используются для ингибирования сериновых и цистеиновых протеаз путем нарушения их структуры. [9]
Суперсемейство стволов TIM - члены имеют большуюструктуру стволаα 8 β 8 . Это одна из наиболее распространенных белковых складок, и монофильность этого суперсемейства все еще оспаривается. [34] [35]
Ресурсы белкового суперсемейства
Несколько биологических баз данных документируют суперсемейства белков и белковые складки, например:
- Pfam - База данных выравниваний и HMM семейств белков
- PROSITE - База данных белковых доменов, семейств и функциональных сайтов
- PIRSF - Система классификации суперсемейства
- PASS2 - Выравнивание белков как структурных суперсемейств v2
- SUPERFAMILY - Библиотека HMM, представляющая суперсемейства, и база данных аннотаций (суперсемейства и семейства) для всех полностью секвенированных организмов.
- SCOP и CATH - Классификация белковых структур на суперсемейства, семейства и домены
Аналогичным образом существуют алгоритмы, которые ищут в PDB белки, структурно гомологичные целевой структуре, например:
- DALI - Структурное выравнивание на основе метода матрицы выравнивания расстояний
Смотрите также
- Структурное выравнивание
- Белковые домены
- Семейство белков
- Белковый миметик
- Белковая структура
- Гомология (биология)
- Interolog
- Список семейств генов
- СУПЕРСЕМЬЯ
- CATH
Рекомендации
- ^ a b Holm L, Rosenström P (июль 2010 г.). «Сервер Дали: сохранение карт в 3D» . Исследования нуклеиновых кислот . 38 (выпуск веб-сервера): W545–9. DOI : 10.1093 / NAR / gkq366 . PMC 2896194 . PMID 20457744 .
- ^ а б в Роулингс Н.Д., Барретт А.Дж., Бейтман А. (январь 2012 г.). «МЕРОПС: база данных протеолитических ферментов, их субстратов и ингибиторов» . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (выпуск базы данных): D343–50. DOI : 10.1093 / NAR / gkr987 . PMC 3245014 . PMID 22086950 .
- ^ Henrissat B, Bairoch A (июнь 1996 г.). «Обновление классификации гликозилгидролаз на основе последовательностей» . Биохимический журнал . 316 (Pt 2): 695–6. DOI : 10.1042 / bj3160695 . PMC 1217404 . PMID 8687420 .
- ^ "Часто задаваемые вопросы Clustal # Символы" . Clustal . Архивировано из оригинального 24 -го октября 2016 года . Проверено 8 декабря 2014 .
- ^ а б в г Хан Дж. Х., Бэйти С., Никсон А. А., Тейхманн С. А., Кларк Дж. (Апрель 2007 г.). «Сворачивание и эволюция многодоменных белков». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 8 (4): 319–30. DOI : 10.1038 / nrm2144 . PMID 17356578 . S2CID 13762291 .
- ^ а б Пандит С.Б., Госар Д., Абхиман С., Суджата С., Диксит С.С., Мхатре Н.С., Соудхамини Р., Шринивасан Н. (январь 2002 г.). «SUPFAM - база данных потенциальных отношений суперсемейства белков, полученная путем сравнения семейств на основе последовательностей и структур: значение для структурной геномики и аннотации функций в геномах» . Исследования нуклеиновых кислот . 30 (1): 289–93. DOI : 10.1093 / NAR / 30.1.289 . PMC 99061 . PMID 11752317 .
- ^ Оренго, Калифорния, Торнтон Дж. М. (2005). «Семейства белков и их эволюция - структурная перспектива». Ежегодный обзор биохимии . 74 (1): 867–900. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.74.082803.133029 . PMID 15954844 .
- ^ Лю И, Бахар I. (сентябрь 2012 г.). «Последовательность эволюции коррелирует со структурной динамикой» . Молекулярная биология и эволюция . 29 (9): 2253–63. DOI : 10.1093 / molbev / mss097 . PMC 3424413 . PMID 22427707 .
- ^ а б Сильверман Г.А., Берд П.И., Каррелл Р.В., Черч ФК, Кафлин П.В., Геттинс П.Г., Ирвинг Д.А., Ломас Д.А., Люк С.Дж., Мойер Р.В., Пембертон П.А., Ремольд-О'Доннелл Е., Сальвесен Г.С., Трэвис Дж., Уиссток Дж.С. (сентябрь 2001). «Серпины представляют собой расширяющееся суперсемейство структурно похожих, но функционально разнообразных белков. Эволюция, механизм ингибирования, новые функции и пересмотренная номенклатура» . Журнал биологической химии . 276 (36): 33293–6. DOI : 10.1074 / jbc.R100016200 . PMID 11435447 .
- ^ Холм Л., Лааксо Л. М. (июль 2016 г.). «Обновление сервера Дали» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (W1): W351–5. DOI : 10.1093 / NAR / gkw357 . PMC 4987910 . PMID 27131377 .
- ^ Паскуаль-Гарсия А., Абиа Д., Ортис АР, Бастолла У. (2009). «Переход между дискретным и непрерывным пространством белковых структур: понимание автоматической классификации и сетей белковых структур» . PLOS вычислительная биология . 5 (3). DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1000331 .
- ^ Ли Д., Чжан Л., Инь Х, Сюй Х, Саткоски Траск Дж., Смит Д.Г., Ли И, Ян М., Чжу К. (июнь 2014 г.). «Эволюция α- и θ-дефенсинов приматов, выявленная с помощью анализа геномов». Отчеты по молекулярной биологии . 41 (6): 3859–66. DOI : 10.1007 / s11033-014-3253-z . PMID 24557891 . S2CID 14936647 .
- ^ Кришна С.С., Гришин Н.В. (апрель 2005 г.). «Структурный дрейф: возможный путь к изменению складчатости белка» . Биоинформатика . 21 (8): 1308–10. DOI : 10.1093 / биоинформатики / bti227 . PMID 15604105 .
- ^ Брайан П.Н., Орбан Дж. (Август 2010 г.). «Белки, переключающие складки» . Текущее мнение в структурной биологии . 20 (4): 482–8. DOI : 10.1016 / j.sbi.2010.06.002 . PMC 2928869 . PMID 20591649 .
- ^ а б Dessailly, Benoit H .; Доусон, Натали Л .; Дас, Сайони; Orengo, Кристин А. (2017), "Функция Diversity В складках и надсемействе", из белка структуры к функции с биоинформатикой , Springer Нидерланды, С. 295-325,. Дои : 10.1007 / 978-94-024-1069-3_9 , ISBN 9789402410679
- ^ Echave J, Spielman SJ, Wilke CO (февраль 2016 г.). «Причины изменения скорости эволюции сайтов белка» . Обзоры природы. Генетика . 17 (2): 109–21. DOI : 10.1038 / nrg.2015.18 . PMC 4724262 . PMID 26781812 .
- ^ Шафи Т., Гатти-Лафранкони П., Минтер Р., Холлфельдер Ф. (сентябрь 2015 г.). «Эволюция восстановления инвалидности ведет к химически универсальной, допускающей нуклеофилы протеазе» . ChemBioChem . 16 (13): 1866–1869. DOI : 10.1002 / cbic.201500295 . PMC 4576821 . PMID 26097079 .
- ^ Buller AR, Townsend CA (февраль 2013 г.). «Внутренние эволюционные ограничения на структуру протеазы, ацилирование фермента и идентичность каталитической триады» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (8): E653–61. DOI : 10.1073 / pnas.1221050110 . PMC 3581919 . PMID 23382230 .
- ^ Коутиньо П.М., Делери Э., Дэвис Г.Дж., Хенриссат Б. (апрель 2003 г.). «Развивающаяся иерархическая семейная классификация гликозилтрансфераз». Журнал молекулярной биологии . 328 (2): 307–17. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (03) 00307-3 . PMID 12691742 .
- ^ Zámocký M, Hofbauer S, Schaffner I, Gasselhuber B, Nicolussi A, Soudi M, Pirker KF, Furtmüller PG, Obinger C (май 2015 г.). «Независимая эволюция четырех суперсемейств гем пероксидазы» . Архивы биохимии и биофизики . 574 : 108–19. DOI : 10.1016 / j.abb.2014.12.025 . PMC 4420034 . PMID 25575902 .
- ^ Акива, Эял; Браун, Шошана; Almonacid, Daniel E .; Парикмахер, Алан Э .; Кастер, Эшли Ф .; Хикс, Майкл А .; Хуанг, Конрад С.; Лаук, Флориан; Машияма, Сьюзан Т. (23 ноября 2013 г.). «База данных связей между структурой и функциями» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (D1): D521 – D530. DOI : 10.1093 / NAR / gkt1130 . ISSN 0305-1048 . PMC 3965090 . PMID 24271399 .
- ^ Шахнович Б.Е., Делиси Е, Делиси С., Шахнович Е. (март 2005 г.). «Структура белка и история эволюции определяют топологию пространства последовательностей» . Геномные исследования . 15 (3): 385–92. arXiv : q-bio / 0404040 . DOI : 10.1101 / gr.3133605 . PMC 551565 . PMID 15741509 .
- ^ Ранея Дж. А., Силлеро А., Торнтон Дж. М., Оренго, Калифорния (октябрь 2006 г.). «Эволюция белкового суперсемейства и последний универсальный общий предок (LUCA)». Журнал молекулярной эволюции . 63 (4): 513–25. Bibcode : 2006JMolE..63..513R . DOI : 10.1007 / s00239-005-0289-7 . hdl : 10261/78338 . PMID 17021929 . S2CID 25258028 .
- ^ Карр П.Д., Оллис Д.Л. (2009). «Альфа / бета гидролазная складка: обновление». Буквы о белках и пептидах . 16 (10): 1137–48. DOI : 10.2174 / 092986609789071298 . PMID 19508187 .
- ^ Нардини М., Дейкстра Б.В. (декабрь 1999 г.). «Ферменты сворачивания альфа / бета гидролазы: семья продолжает расти». Текущее мнение в структурной биологии . 9 (6): 732–7. DOI : 10.1016 / S0959-440X (99) 00037-8 . PMID 10607665 .
- ^ «СКОП» . Архивировано из оригинального 29 июля 2014 года . Проверено 28 мая 2014 .
- ^ Мохамед М.Ф., Холлфельдер Ф. (январь 2013 г.). «Эффективная перекрестная каталитическая неразборчивость между ферментами, которые катализируют перенос фосфорила». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1834 (1): 417–24. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2012.07.015 . PMID 22885024 .
- ^ Бранден С., Туз Дж. (1999). Введение в структуру белка (2-е изд.). Нью-Йорк: Garland Pub. ISBN 978-0815323051.
- ^ Болоньези М., Онешти С., Гатти Дж., Кода А., Асчензи П., Брунори М. (февраль 1989 г.). «Миоглобин Aplysia limacina. Кристаллографический анализ при разрешении 1,6 A». Журнал молекулярной биологии . 205 (3): 529–44. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (89) 90224-6 . PMID 2926816 .
- ^ Борк П., Холм Л., Сандер С. (сентябрь 1994 г.). «Сворачивание иммуноглобулина. Структурная классификация, последовательность последовательностей и общее ядро». Журнал молекулярной биологии . 242 (4): 309–20. DOI : 10.1006 / jmbi.1994.1582 . PMID 7932691 .
- ^ Брюммендорф Т., Ратьен Ф.Г. (1995). «Молекулы клеточной адгезии 1: суперсемейство иммуноглобулинов». Белковый профиль . 2 (9): 963–1108. PMID 8574878 .
- ^ Базан Дж. Ф., Флеттерик Р. Дж. (Ноябрь 1988 г.). «Вирусные цистеиновые протеазы гомологичны трипсиноподобному семейству сериновых протеаз: структурные и функциональные последствия» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (21): 7872–6. Bibcode : 1988PNAS ... 85.7872B . DOI : 10.1073 / pnas.85.21.7872 . PMC 282299 . PMID 3186696 .
- ^ Веттер И.Р., Виттингхофер А (ноябрь 2001 г.). «Переключатель связывания гуаниновых нуклеотидов в трех измерениях». Наука . 294 (5545): 1299–304. Bibcode : 2001Sci ... 294.1299V . DOI : 10.1126 / science.1062023 . PMID 11701921 . S2CID 6636339 .
- ^ Нагано Н., Оренго, Калифорния, Торнтон Дж. М. (август 2002 г.). «Одно устройство с множеством функций: эволюционные отношения между семействами стволов TIM, основанные на их последовательностях, структурах и функциях». Журнал молекулярной биологии . 321 (5): 741–65. DOI : 10.1016 / s0022-2836 (02) 00649-6 . PMID 12206759 .
- ^ Фарбер Г (1993). «Α / β-бочка, полная эволюционных проблем». Текущее мнение в структурной биологии . 3 (3): 409–412. DOI : 10.1016 / S0959-440X (05) 80114-9 .
Внешние ссылки
- СМИ, относящиеся к суперсемействам белков, на Викискладе?