Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Структурной гомологии )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 [ править ]

Выше вторичная структурная консервация 80 членов клана протеаз PA (суперсемейство). H обозначает α-спираль , E обозначает β-лист , L обозначает петлю. Ниже показано сохранение последовательности для того же выравнивания. Стрелки указывают остатки каталитической триады . Согласовано на основе структуры DALI

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 [ править ]

Основная статья: гомология последовательностей
Выравнивание последовательности из млекопитающих гистонов белков. Сходство последовательностей подразумевает, что они возникли в результате дупликации генов . Остатки, которые сохраняются во всех последовательностях, выделены серым цветом. Ниже белковых последовательностей находится ключ, обозначающий консервативную последовательность (*), консервативные мутации (:), полуконсервативные мутации (.) И неконсервативные мутации (). [4]

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 схожие свойства (например, заряд, гидрофобность, размер), консервативные мутации, которые меняют их местами, часто нейтральны.функционировать. 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 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 родства, 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 [ править ]

Структурная гомология в надсемействе PA (клан PA). Двойной β-бочонок, характеризующий суперсемейство, выделен красным. Показаны репрезентативные структуры из нескольких семейств суперсемейства PA. Обратите внимание, что некоторые белки имеют частично измененную структуру. Химотрипсин (1gg6), табака вирусом травление протеазы (1lvm), calicivirin (1wqs), Западный Нильский вирус протеазы (1fp7), exfoliatin токсин (1exf), HtrA протеазы (1l1j), змеиный яд активатор плазминогена (1bqy), хлоропласт протеазы (4fln ) и протеазой вируса артериита лошадей (1 мбм).
Основная статья: структурное выравнивание

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 эволюции очень немногие остатки демонстрируют детектируемую консервацию аминокислотной последовательности, однако вторичные структурные элементы и третичные структурные мотивы очень консервативны. 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 свидетельств 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 [ править ]

Основная статья: ферментный механизм

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 были разработаны конвергентно.несколько раз независимо и, таким образом, образуют отдельные суперсемейства [18] [19] [20], а в некоторых суперсемействах обнаруживается ряд различных (хотя часто химически подобных) механизмов. [15] [21]

Эволюционное значение [ править ]

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 суперсемейства 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 [ править ]

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 действительно объединяются, порядок доменов от N до 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 [ править ]

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 спирали 8- альфа . [28] [29]

Суперсемейство иммуноглобулинов - члены имеют сэндвич-подобную структуру из двух листов антипараллельных β-цепей ( Ig-складка ) и участвуют в распознавании, связывании и адгезии . [30] [31]

PA clan - члены разделяют химотрипсиноподобную двойную β-стволовую 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 [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Структурное выравнивание
  • Белковые домены
  • Семейство белков
  • Миметик белка
  • Белковая структура
  • Гомология (биология)
  • Interolog
  • Список семейств генов
  • СУПЕРСЕМЬЯ
  • CATH

Ссылки [ править ]

  1. ^ 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 .
  2. ^ a b c 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 .  
  3. ^ Henrissat B, Bairoch A (июнь 1996). «Обновление классификации гликозилгидролаз на основе последовательностей» . Биохимический журнал . 316 (Pt 2): 695–6. DOI : 10.1042 / bj3160695 . PMC 1217404 . PMID 8687420 .  
  4. ^ "Часто задаваемые вопросы Clustal # Символы" . Clustal . Архивировано из оригинального 24 -го октября 2016 года . Проверено 8 декабря 2014 .
  5. ^ a b c d 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 .  
  6. ^ a b 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 .  
  7. ^ Orengo CA, Thornton JM (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 . 
  8. Перейти ↑ Liu Y, Bahar 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 .  
  9. ^ a b Сильверман Г.А., Берд П.И., Каррелл Р.В., Черч ФК, Кафлин П.Б., Геттинс П.Г., Ирвинг Д.А., Ломас Д.А., Люк С.Дж., Мойер Р.У., Пембертон П.А., Ремольд-О'Доннелл Е., Салвесен Г.С., Трэвис Дж., Уиссток JC (сентябрь 2001 г.). «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 . 
  10. ↑ Holm L, Laakso LM (июль 2016 г.). «Обновление сервера Дали» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (W1): W351–5. DOI : 10.1093 / NAR / gkw357 . PMC 4987910 . PMID 27131377 .  
  11. ^ Паскуаль-Гарсиа A, D Авия, Ortiz А.Р., Bastolla U (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 .
  12. ↑ Li D, Zhang L, Yin H, Xu H, Satkoski Trask J, Smith DG, Li Y, Yang M, Zhu Q (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 .  
  13. ↑ Кришна СС, 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 . 
  14. Перейти ↑ Bryan PN, Orban J (август 2010). «Белки, переключающие складки» . Текущее мнение в структурной биологии . 20 (4): 482–8. DOI : 10.1016 / j.sbi.2010.06.002 . PMC 2928869 . PMID 20591649 .  
  15. ^ a b 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
  16. ^ Echave Дж, Шпильман SJ, Вилок СО (февраль 2016). «Причины изменения скорости эволюции сайтов белка» . Обзоры природы. Генетика . 17 (2): 109–21. DOI : 10.1038 / nrg.2015.18 . PMC 4724262 . PMID 26781812 .  
  17. ^ Shafee Т, Гатти-Lafranconi Р, Р Минтер, Hollfelder F (сентябрь 2015). «Эволюция восстановления инвалидности ведет к химически универсальной протеазе, допускающей нуклеофилы» . ChemBioChem . 16 (13): 1866–1869. DOI : 10.1002 / cbic.201500295 . PMC 4576821 . PMID 26097079 .  
  18. ↑ 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 .  
  19. ^ Коутиньо PM, Deleury E, Дэвис GJ, Henrissat B (апрель 2003). «Развивающаяся иерархическая семейная классификация гликозилтрансфераз». Журнал молекулярной биологии . 328 (2): 307–17. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (03) 00307-3 . PMID 12691742 . 
  20. ^ Zámocký М, Хофбауер S, Шафнер I, Gasselhuber В, Nicolussi А, Soudi М, Пиркер К.Ф., Furtmüller П.Г., Obinger С (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 .  
  21. ^ Акива, Эял; Браун, Шошана; Almonacid, Daniel E .; Barber, Alan E .; Кастер, Эшли Ф .; Хикс, Майкл А .; Хуанг, Конрад С.; Лаук, Флориан; Машияма, Сьюзан Т. (23 ноября 2013 г.). «База данных связей между структурой и функцией» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (D1): D521 – D530. DOI : 10.1093 / NAR / gkt1130 . ISSN 0305-1048 . PMC 3965090 . PMID 24271399 .   
  22. ^ Шахнович Б.Е., Дело E, Делиси C, Шахнович E (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 .  
  23. ^ Ranea JA, Sillero A, Thornton JM, Orengo CA (октябрь 2006). «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 .  
  24. ^ Карр PD, Ollis DL (2009). «Альфа / бета гидролазная складка: обновление». Буквы о белках и пептидах . 16 (10): 1137–48. DOI : 10.2174 / 092986609789071298 . PMID 19508187 . 
  25. ^ Нардини М, Дейкстра BW (декабрь 1999). «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 . 
  26. ^ "СКОП" . Архивировано из оригинального 29 июля 2014 года . Проверено 28 мая 2014 .
  27. ^ Mohamed MF, Hollfelder F (январь 2013). «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 . 
  28. ^ Бранден С, Tooze J (1999). Введение в структуру белка (2-е изд.). Нью-Йорк: Garland Pub. ISBN 978-0815323051.
  29. ↑ Bolognesi M, Onesti S, Gatti G, Coda A, Ascenzi P, Brunori M (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 . 
  30. ↑ Bork P, Holm L, Sander C (сентябрь 1994). «Сворачивание иммуноглобулина. Структурная классификация, последовательность последовательностей и общее ядро». Журнал молекулярной биологии . 242 (4): 309–20. DOI : 10.1006 / jmbi.1994.1582 . PMID 7932691 . 
  31. ^ Brümmendorf Т, Rathjen Ф. (1995). «Молекулы клеточной адгезии 1: суперсемейство иммуноглобулинов». Белковый профиль . 2 (9): 963–1108. PMID 8574878 . 
  32. ^ Базан JF, Fletterick RJ (ноябрь 1988). «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 .  
  33. ↑ Vetter IR, Wittinghofer A (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 .  
  34. ^ Нагано N, Orengo CA, Thornton JM (август 2002). «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 . 
  35. Перейти ↑ Farber G (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 [ править ]

  • СМИ, относящиеся к суперсемействам белков, на Викискладе?