stringtranslate.com

Суперсемейство белков

Суперсемейство белков — это самая большая группа ( клада ) белков , для которых можно вывести общее происхождение (см. гомологию ). Обычно это общее происхождение выводится из структурного выравнивания [1] и механистического сходства, даже если сходство последовательностей не очевидно. [2] Затем можно вывести гомологию последовательностей , даже если она не очевидна (из-за низкого сходства последовательностей). Суперсемейства обычно содержат несколько семейств белков , которые показывают сходство последовательностей внутри каждого семейства. Термин клан белков обычно используется для суперсемейств протеаз и гликозилгидролаз на основе систем классификации MEROPS и CAZy . [2] [3]

Идентификация

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

Суперсемейства белков идентифицируются с использованием ряда методов. Близкородственные члены могут быть идентифицированы с помощью методов, отличных от тех, которые необходимы для группировки наиболее эволюционно расходящихся членов.

Сходство последовательностей

Выравнивание последовательностей гистоновых белков млекопитающих . Сходство последовательностей подразумевает, что они эволюционировали путем дупликации генов . Остатки, которые сохраняются во всех последовательностях, выделены серым цветом. Ниже последовательностей белков находится ключ, обозначающий: [4]

Исторически, сходство различных аминокислотных последовательностей было наиболее распространенным методом вывода гомологии . [5] Сходство последовательностей считается хорошим предиктором родства, поскольку схожие последовательности, скорее всего, являются результатом дупликации генов и дивергентной эволюции , а не результатом конвергентной эволюции . Аминокислотная последовательность, как правило, 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 их заменяют, часто нейтральны для функции. Наиболее консервативные области последовательности белка часто соответствуют функционально важным областям, таким как каталитические сайты и сайты связывания, поскольку эти области менее толерантны к изменениям последовательности.

Использование сходства последовательностей для вывода гомологии имеет несколько ограничений. Не существует минимального уровня сходства последовательностей, гарантированного для создания идентичных структур. В течение длительных периодов эволюции родственные белки могут не показывать обнаруживаемого сходства последовательностей друг с другом. Последовательности со множеством вставок и делеций также иногда могут быть трудно выровнены и, таким образом, идентифицировать гомологичные области последовательностей. Например, в клане протеаз PA ни один остаток не сохраняется через суперсемейство, даже те, что находятся в каталитической триаде . И наоборот, отдельные семейства, составляющие суперсемейство, определяются на основе их выравнивания последовательностей, например, семейство протеаз C04 в клане PA.

Тем не менее, сходство последовательностей является наиболее часто используемой формой доказательства для вывода о родстве, поскольку число известных последовательностей значительно превосходит число известных третичных структур . [6] При отсутствии структурной информации сходство последовательностей ограничивает пределы того, какие белки могут быть отнесены к суперсемейству. [6]

Структурное сходство

Структурная гомология в суперсемействе PA (клан PA). Двойной β-ствол, характерный для суперсемейства, выделен красным. Показаны репрезентативные структуры из нескольких семейств в суперсемействе PA. Обратите внимание, что некоторые белки демонстрируют частично измененную структуру. Химотрипсин (1gg6), протеаза вируса гравировки табака (1lvm), калицивирин (1wqs), протеаза вируса Западного Нила (1fp7), эксфолиатиновый токсин (1exf), протеаза HtrA (1l1j), активатор плазминогена змеиного яда (1bqy), протеаза хлоропласта (4fln) и протеаза вируса артериита лошадей (1mbm).

Структура гораздо более эволюционно консервативна, чем последовательность, так что белки с очень похожими структурами могут иметь совершенно разные последовательности. [7] В течение очень длительных эволюционных временных масштабов очень немногие остатки показывают обнаруживаемую консервацию аминокислотной последовательности, однако вторичные структурные элементы и третичные структурные мотивы высоко консервативны. Некоторая динамика белка [8] и конформационные изменения структуры белка также могут быть сохранены, как это видно в суперсемействе серпинов . [9] Следовательно, третичная структура белка может быть использована для обнаружения гомологии между белками, даже если в их последовательностях не осталось никаких доказательств родства. Программы структурного выравнивания , такие как DALI , используют трехмерную структуру интересующего белка для поиска белков со схожими складками. [10] Однако в редких случаях родственные белки могут эволюционировать так, чтобы стать структурно несходными [11], и родство может быть выведено только другими методами. [12] [13] [14]

Механистическое сходство

Каталитический механизм ферментов в пределах суперсемейства обычно сохраняется, хотя субстратная специфичность может существенно различаться. [15] Каталитические остатки также имеют тенденцию встречаться в том же порядке в последовательности белка. [16] Для семейств в пределах клана протеаз PA, хотя и наблюдалась дивергентная эволюция остатков каталитической триады, используемых для выполнения катализа, все члены используют схожий механизм для выполнения ковалентного, нуклеофильного катализа на белках, пептидах или аминокислотах. [17] Однако одного механизма недостаточно для вывода о родстве. Некоторые каталитические механизмы конвергентно развивались несколько раз независимо и, таким образом, образуют отдельные суперсемейства, [18] [19] [20] а в некоторых суперсемействах демонстрируется ряд различных (хотя часто химически схожих) механизмов. [15] [21]

Эволюционное значение

Суперсемейства белков представляют текущие пределы нашей способности определять общее происхождение. [22] Они являются крупнейшей эволюционной группой, основанной на прямых доказательствах , которые в настоящее время возможны. Поэтому они относятся к самым древним эволюционным событиям, изучаемым в настоящее время. Некоторые суперсемейства имеют членов, присутствующих во всех царствах жизни , что указывает на то, что последний общий предок этого суперсемейства был в последнем универсальном общем предке всей жизни (LUCA). [23]

Члены суперсемейства могут быть в разных видах, при этом предковый белок является формой белка, существовавшего в предковом виде ( ортология ). И наоборот, белки могут быть в одном и том же виде, но эволюционировать из 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 от N-конца к C-концу («архитектура домена») обычно хорошо сохраняется. Кроме того, количество комбинаций доменов, наблюдаемых в природе, мало по сравнению с количеством возможностей, что предполагает, что отбор действует на все комбинации. [5]

Примеры

Суперсемейство α/β гидролаз
Члены группы имеют общий α/β-слой, содержащий 8 нитей , соединенных спиралями , с остатками каталитической триады в том же порядке, [24] активность включает протеазы , липазы , пероксидазы , эстеразы , эпоксидгидролазы и дегалогеназы . [25]
Суперсемейство щелочной фосфатазы
Члены группы имеют общую структуру сэндвича αβα [26], а также выполняют общие беспорядочные реакции по общему механизму. [27]
Суперсемейство Глобинов
Члены группы разделяют 8- альфа-спиральную глобулярную глобиновую складку . [28] [29]
Суперсемейство иммуноглобулинов
Члены имеют сэндвич-подобную структуру из двух слоев антипараллельных β-нитей ( Ig-fold ) и участвуют в распознавании, связывании и адгезии . [30] [31]
клан ПА
Члены имеют химотрипсин -подобную двойную β-бочкообразную складчатость и схожие механизмы протеолиза , но идентичность последовательности составляет <10%. Клан содержит как цистеиновые , так и сериновые протеазы (разные нуклеофилы ). [2] [32]
Суперсемейство Ras
Члены имеют общий каталитический домен G из 6-цепочечного β-слоя, окруженного 5 α-спиралями. [33]
Суперсемейство RSH
Члены группы обладают способностью гидролизовать и/или синтезировать ppGpp- алармоны в условиях строгого реагирования . [34]
Суперсемейство серпинов
Члены группы имеют высокоэнергетическую напряженную складку, которая может претерпевать значительные конформационные изменения , что обычно используется для ингибирования сериновых и цистеиновых протеаз путем нарушения их структуры. [9]
Суперсемейство стволов TIM
Члены имеют общую структуру большого α 8 β 8 бочонка. Это одна из самых распространенных структур белков , и монофильность этого суперсемейства все еще оспаривается. [35] [36]

Ресурсы суперсемейства белков

Несколько биологических баз данных документируют суперсемейства белков и белковые складки, например:

Аналогично существуют алгоритмы, которые ищут в PDB белки со структурной гомологией целевой структуры, например:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Holm L, Rosenström P (июль 2010 г.). «Сервер Dali: картирование сохранения в 3D». Nucleic Acids Research . 38 (выпуск веб-сервера): W545–9. doi :10.1093/nar/gkq366. PMC  2896194. PMID  20457744 .
  2. ^ abc Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (январь 2012 г.). "MEROPS: база данных протеолитических ферментов, их субстратов и ингибиторов". Nucleic Acids Research . 40 (выпуск базы данных): D343–50. doi :10.1093/nar/gkr987. PMC 3245014. PMID  22086950. 
  3. ^ Henrissat B, Bairoch A (июнь 1996 г.). «Обновление классификации гликозилгидролаз на основе последовательностей». The Biochemical Journal . 316 (Pt 2): 695–6. doi :10.1042/bj3160695. PMC 1217404. PMID  8687420 . 
  4. ^ "Clustal FAQ #Symbols". Clustal . Архивировано из оригинала 24 октября 2016 года . Получено 8 декабря 2014 года .
  5. ^ abcd Han JH, Batey S, Nickson AA, Teichmann SA, Clarke J (апрель 2007 г.). «Сворачивание и эволюция многодоменных белков». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 8 (4): 319–30. doi :10.1038/nrm2144. PMID  17356578. S2CID  13762291.
  6. ^ ab Pandit SB, Gosar D, Abhiman S, Sujatha S, Dixit SS, Mhatre NS, Sowdhamini R, Srinivasan N (январь 2002 г.). "SUPFAM — база данных потенциальных взаимосвязей суперсемейств белков, полученных путем сравнения семейств, основанных на последовательностях и структурах: последствия для структурной геномики и аннотации функций в геномах". Nucleic Acids Research . 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». Annual Review of Biochemistry . 74 (1): 867–900. doi :10.1146/annurev.biochem.74.082803.133029. PMID  15954844.
  8. ^ Liu Y, Bahar I (сентябрь 2012 г.). «Эволюция последовательностей коррелирует со структурной динамикой». Молекулярная биология и эволюция . 29 (9): 2253–63. doi :10.1093/molbev/mss097. PMC 3424413. PMID  22427707 . 
  9. ^ ab Silverman GA, Bird PI, Carrell RW, Church FC, Coughlin PB, Gettins PG, Irving JA, Lomas DA, Luke CJ, Moyer RW, Pemberton PA, Remold-O'Donnell E, Salvesen GS, Travis J, Whisstock JC (сентябрь 2001 г.). «Серпины — это расширяющееся суперсемейство структурно схожих, 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 Dali». Nucleic Acids Research . 44 (W1): W351–5. doi :10.1093/nar/gkw357. PMC 4987910. PMID 27131377  . 
  11. ^ Паскуаль-Гарсия А., Абиа Д., Ортис АР., Бастолла У. (2009). «Переход между дискретным и непрерывным пространством структур белка: взгляд на автоматическую классификацию и сети структур белка». PLOS Computational Biology . 5 (3): e1000331. Bibcode : 2009PLSCB...5E0331P. doi : 10.1371/journal.pcbi.1000331 . PMC 2654728. PMID  19325884 . 
  12. ^ Ли Д, Чжан Л, Инь Х, Сюй Х, Саткоски Траск Дж, Смит ДГ, Ли И, Ян М, Чжу Кью (июнь 2014 г.). «Эволюция дефензинов α и θ приматов, выявленная путем анализа геномов». Molecular Biology Reports . 41 (6): 3859–66. doi :10.1007/s11033-014-3253-z. PMID  24557891. S2CID  14936647.
  13. ^ Кришна СС, Гришин НВ (апрель 2005). «Структурный дрейф: возможный путь к изменению укладки белка». Биоинформатика . 21 (8): 1308–10. doi : 10.1093/bioinformatics/bti227 . PMID  15604105.
  14. ^ Bryan PN, Orban J (август 2010). «Белки, которые переключают складки». Current Opinion in Structural Biology . 20 (4): 482–8. doi :10.1016/j.sbi.2010.06.002. PMC 2928869. PMID  20591649 . 
  15. ^ ab Dessailly, Benoit H.; Dawson, Natalie L.; Das, Sayoni; Orengo, Christine A. (2017), «Разнообразие функций в складках и суперсемействах», From Protein Structure to Function with Bioinformatics , Springer Netherlands, стр. 295–325, doi :10.1007/978-94-024-1069-3_9, ISBN 9789402410679
  16. ^ Echave J, Spielman SJ, Wilke CO (февраль 2016 г.). «Причины вариации эволюционной скорости среди участков белка». Nature Reviews. Genetics . 17 (2): 109–21. doi :10.1038/nrg.2015.18. PMC 4724262. PMID 26781812  . 
  17. ^ Shafee T, Gatti-Lafranconi P, Minter R, Hollfelder F (сентябрь 2015 г.). «Эволюция восстановления гандикапа приводит к химически универсальной, нуклеофильно-разрешительной протеазе». 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. Bibcode : 2013PNAS..110E.653B. doi : 10.1073 /pnas.1221050110 . PMC 3581919. PMID  23382230. 
  19. ^ Coutinho PM, Deleury E, Davies GJ, Henrissat B (апрель 2003 г.). «Развивающаяся иерархическая классификация семейств гликозилтрансфераз». Журнал молекулярной биологии . 328 (2): 307–17. doi :10.1016/S0022-2836(03)00307-3. PMID  12691742.
  20. ^ 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». Архив биохимии и биофизики . 574 : 108–19. doi : 10.1016/j.abb.2014.12.025. PMC 4420034. PMID  25575902 . 
  21. ^ Акива, Эяль; Браун, Шошана; Альмонасид, Дэниел Э.; Барбер, Алан Э.; Кастер, Эшли Ф.; Хикс, Майкл А.; Хуан, Конрад К.; Лаук, Флориан; Машияма, Сьюзан Т. (2013-11-23). ​​"База данных связей структура–функция". Nucleic Acids Research . 42 (D1): D521–D530. doi :10.1093/nar/gkt1130. ISSN  0305-1048. PMC 3965090. PMID 24271399  . 
  22. ^ Shakhnovich BE, Deeds E, Delisi C, Shakhnovich E (март 2005 г.). «Структура белка и эволюционная история определяют топологию пространства последовательностей». Genome Research . 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 г.). «Эволюция суперсемейства белков 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. ^ Carr PD, Ollis DL (2009). «Складка альфа/бета-гидролазы: обновление». Protein and Peptide Letters . 16 (10): 1137–48. doi :10.2174/092986609789071298. PMID  19508187.
  25. ^ Nardini M, Dijkstra BW (декабрь 1999 г.). «Ферменты альфа/бета-гидролазы сворачиваются: семейство продолжает расти». Current Opinion in Structural Biology . 9 (6): 732–7. doi :10.1016/S0959-440X(99)00037-8. PMID  10607665.
  26. ^ "SCOP". Архивировано из оригинала 29 июля 2014 года . Получено 28 мая 2014 года .
  27. ^ Mohamed MF, Hollfelder F (январь 2013 г.). «Эффективная, перекрестная каталитическая разнородность среди ферментов, катализирующих 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. ^ Branden C, 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). "Миоглобин Aplysia limacina. Кристаллографический анализ при разрешении 1,6 А". 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 г.). «Иммуноглобулиновая складка. Структурная классификация, паттерны последовательностей и общее ядро». Журнал молекулярной биологии . 242 (4): 309–20. doi :10.1006/jmbi.1994.1582. PMID  7932691.
  31. ^ Brümmendorf T, Rathjen FG (1995). "Молекулы клеточной адгезии 1: суперсемейство иммуноглобулинов". Профиль белка . 2 (9): 963–1108. PMID  8574878.
  32. ^ Bazan JF, Fletterick RJ (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 . 
  33. ^ Vetter IR, Wittinghofer A (ноябрь 2001 г.). «Переключатель связывания гуаниновых нуклеотидов в трех измерениях». Science . 294 (5545): 1299–304. Bibcode :2001Sci...294.1299V. doi :10.1126/science.1062023. PMID  11701921. S2CID  6636339.
  34. ^ Аткинсон, Джемма К.; Тенсон, Танель; Гаврилюк, Василий (2011-08-09). "Суперсемейство гомологов RelA/SpoT (RSH): распределение и функциональная эволюция синтетаз и гидролаз ppGpp на древе жизни". PLOS ONE . ​​6 (8): e23479. Bibcode :2011PLoSO...623479A. doi : 10.1371/journal.pone.0023479 . ISSN  1932-6203. PMC 3153485 . PMID  21858139. 
  35. ^ Nagano N, Orengo CA, Thornton JM (август 2002 г.). «Одна складка со многими функциями: эволюционные отношения между семействами стволов TIM на основе их последовательностей, структур и функций». Журнал молекулярной биологии . 321 (5): 741–65. doi :10.1016/s0022-2836(02)00649-6. PMID  12206759.
  36. ^ Фарбер Г. (1993). «α/β-бочка, полная эволюционных проблем». Current Opinion in Structural Biology . 3 (3): 409–412. doi :10.1016/S0959-440X(05)80114-9.

Внешние ссылки