Nadrodina proteinů - Protein superfamily

A proteinová nadčeleď je největší seskupení (clade ) z bílkoviny pro který společný původ lze odvodit (viz homologie ). Obvykle je tento společný původ odvozen z strukturální vyrovnání[1] a mechanická podobnost, i když není patrná žádná podobnost sekvence.[2] Sekvenční homologie pak lze odvodit, i když to není zřejmé (kvůli nízké podobnosti sekvence). Superrodiny obvykle obsahují několik proteinové rodiny které ukazují podobnost sekvence v každé rodině. Termín proteinový klan se běžně používá pro proteáza a glykosylové hydrolázy superrodiny založené na MEROPS a CAZy klasifikační systémy.[2][3]

Identifikace

Výše, sekundární strukturální zachování 80 členů Klan PA proteázy (nadčeleď). H označuje α-šroubovice, E označuje β-list, L označuje smyčku. Níže, zachování sekvence pro stejné zarovnání. Šipky označují katalytická triáda zbytky. Zarovnáno na základě struktury DALI

Superrodiny proteinů jsou identifikovány pomocí řady metod. Úzce související členy lze identifikovat různými metodami, než jsou metody potřebné ke seskupení nejvíce evolučně odlišných členů.

Sekvenční podobnost

Hlavní článek: sekvenční homologie
A zarovnání sekvence savců histon bílkoviny. Podobnost sekvencí naznačuje, že se vyvinuly genová duplikace. Zbytky, které jsou konzervovány ve všech sekvencích, jsou zvýrazněny šedě. Pod proteinovými sekvencemi je klíč označující konzervovaná sekvence (*), konzervativní mutace (:), semikonzervativní mutace (.) a nekonzervativní mutace ( ).[4]

Historicky byla podobnost různých aminokyselinových sekvencí nejběžnější metodou odvození homologie.[5] Sekvenční podobnost je považována za dobrý prediktor příbuznosti, protože podobné sekvence jsou pravděpodobněji výsledkem genová duplikace a odlišná evoluce, spíše než výsledek konvergentní evoluce. Aminokyselinová sekvence je obvykle konzervativnější než sekvence DNA (kvůli zdegenerovaný genetický kód ), což je také citlivější detekční metoda. Protože některé aminokyseliny mají podobné vlastnosti (např. Náboj, hydrofobnost, velikost), konzervativní mutace že jejich výměna je často neutrální fungovat. Nejkonzervovanější sekvenční oblasti proteinu často odpovídají funkčně důležitým regionům, jako jsou katalytická místa a vazebná místa, protože tyto oblasti jsou méně tolerantní ke změnám sekvence.

Použití podobnosti sekvence k odvození homologie má několik omezení. Neexistuje žádná minimální úroveň podobnosti sekvence zaručeně produkující identické struktury. Po dlouhou dobu evoluce nemusí příbuzné proteiny vykazovat žádnou detekovatelnou podobnost sekvence. Sekvence s mnoha vkládání a mazání může být někdy obtížné sladit a tak identifikovat oblasti homologní sekvence. V Klan PA z proteázy například ani jeden zbytek není konzervován nadrodinou, dokonce ani těmi v katalytická triáda. Naopak jednotlivé rodiny, které tvoří superrodinu, jsou definovány na základě jejich seřazení sekvencí, například rodina proteáz C04 v klanu PA.

Sekvenční podobnost je nicméně nejčastěji používanou formou důkazu k odvození příbuznosti, protože počet známých sekvencí výrazně převyšuje počet známých terciární struktury.[6] Při absenci strukturní informace omezuje sekvenční podobnost limity, jejichž proteiny lze přiřadit nadrodině.[6]

Strukturální podobnost

Strukturální homologie v PA nadčeleď (PA klan). Dvojitá β-hlaveň, která charakterizuje superrodinu, je zvýrazněna červeně. Zobrazeny jsou reprezentativní struktury z několika rodin v rámci nadrodiny PA. Všimněte si, že některé proteiny vykazují částečně modifikovanou strukturu. Chymotrypsin (1gg6), virová proteáza z tabáku (1 lvm), kalicivirin (1 týden), virus západního Nilu proteáza (1fp7), exfoliatinový toxin (1exf), HtrA proteáza (1l1j), aktivátor plazminogenu hadího jedu (1 bqy), chloroplast proteáza (4fln) a virus arteritidy koní proteáza (1 mbm).
Hlavní článek: strukturální vyrovnání

Struktura je mnohem evolučně konzervovanější než sekvence, takže proteiny s vysoce podobnými strukturami mohou mít zcela odlišné sekvence.[7] Během velmi dlouhých evolučních časových období však velmi málo zbytků vykazuje detekovatelné zachování aminokyselinové sekvence sekundární strukturální prvky a terciární strukturální motivy jsou vysoce konzervované. Nějaký dynamika bílkovin[8] a konformační změny může být také zachována proteinová struktura, jak je patrné z serpin nadčeleď.[9] V důsledku toho lze použít proteinovou terciární strukturu k detekci homologie mezi proteiny, i když v jejich sekvencích nezůstávají žádné důkazy o příbuznosti. Strukturální zarovnání programy, jako např DALI, použijte 3D strukturu požadovaného proteinu k nalezení proteinů s podobnými záhyby.[10] Avšak ve vzácných případech se mohou příbuzné proteiny vyvinout tak, aby byly strukturně odlišné a příbuznost lze odvodit pouze jinými metodami.[11][12][13]

Mechanická podobnost

Hlavní článek: enzymový mechanismus

The katalytický mechanismus enzymů v nadrodině je obvykle zachována Podklad specificita se může výrazně lišit.[14] Katalytické zbytky také mají tendenci se vyskytovat ve stejném pořadí v proteinové sekvenci.[15] Rodiny v PA klanu proteáz, i když došlo k odlišnému vývoji katalytická triáda zbytky použité k provedení katalýzy, všichni členové používají podobný mechanismus k provedení kovalentní, nukleofilní katalýza na proteiny, peptidy nebo aminokyseliny.[16] Samotný mechanismus však není dostatečný k odvození příbuznosti. Některé katalytické mechanismy byly konvergentně se vyvinul několikrát samostatně, a tak tvoří samostatné superrodiny,[17][18][19] a v některých superrodinách vykazují řadu různých (i když často chemicky podobných) mechanismů.[14][20]

Evoluční význam

Proteinové superrodiny představují současné limity naší schopnosti identifikovat společné předky.[21] Jsou největší evoluční seskupení založené na přímém důkaz to je v současné době možné. Patří tedy k nejstarším evolučním událostem, které jsou v současné době studovány. Některé superrodiny mají členy přítomné ve všech království z život, což naznačuje, že poslední společný předek této nadčeledi byl v poslední univerzální společný předek všeho života (LUCA).[22]

Členové nadčeledi mohou být různých druhů, přičemž protein předků je formou proteinu, který existoval u druhů předků (ortologie ). Naopak, proteiny mohou být stejného druhu, ale vyvinuly se z jediného proteinu, jehož gen byl duplikováno v genomu (paralela ).

Diverzifikace

Většina proteinů obsahuje více domén. Mezi 66-80% eukaryotických proteinů má více domén, zatímco asi 40-60% prokaryotických proteinů má více domén.[5] Postupem času se mnoho superrodin domén smíchalo. Ve skutečnosti je velmi vzácné najít „důsledně izolované superrodiny“.[5] [1]Když se domény kombinují, je pořadí domén N- až C- terminál („doménová architektura“) obvykle dobře zachováno. Počet kombinací domén v přírodě je navíc malý ve srovnání s počtem možností, což naznačuje, že výběr působí na všechny kombinace.[5]

Příklady

Nadčeleď α / β hydrolázy - Členové sdílejí list α / β obsahující 8 prameny připojeno uživatelem šroubovice, s katalytická triáda zbytky ve stejném pořadí,[23] aktivity zahrnují proteázy, lipázy, peroxidázy, esterázy, epoxidové hydrolázy a dehalogenázy.[24]

Nadrodina alkalické fosfatázy - Členové sdílejí sendvičovou strukturu αβα[25] stejně jako běžné vystupování promiskuitní reakce společným mechanismem.[26]

Globin nadčeleď - Členové sdílejí 8-alfa šroubovice kulovitý globinový záhyb.[27][28]

Imunoglobulinová nadčeleď - Členové sdílejí sendvičovou strukturu dvou povlečení na postel antiparalelní β řetězce (Ig-krát ) a podílejí se na uznávání, vázání a přilnavost.[29][30]

Klan PA - Členové sdílejí a chymotrypsin -jako dvojnásobek β-hlaveň složit a podobně proteolýza mechanismy, ale sekvenční identita <10%. Klan obsahuje obojí cystein a serinové proteázy (odlišný nukleofily ).[2][31]

Ras nadčeleď - Členové sdílejí společnou katalytickou G doménu šestivláknového β listu obklopeného 5 α-šroubovicemi.[32]

Serpin nadčeleď - Členové sdílejí vysokoenergetický, namáhaný záhyb, který může podstoupit velkou část konformační změna, který se obvykle používá k inhibici serin a cysteinové proteázy narušením jejich struktury.[9]

Nadčeleď hlavně TIM - Členové sdílejí velké α8β8 struktura hlavně. Je to jeden z nejběžnějších záhyby bílkovin a monofilita této nadrodiny je stále sporné.[33][34]

Zdroje nadrodiny proteinů

Několik biologické databáze dokumentujte proteinové superrodiny a proteinové záhyby, například:

  • Pfam - Databáze proteinových rodin sladění a HMM
  • STRÁNKA - Databáze proteinových domén, rodin a funkčních stránek
  • PIRSF - SuperFamily Classification System
  • PASS2 - Protein Alignment as Structural Superfamilies v2
  • SUPERFAMILY - Knihovna HMM představující superrodiny a databáze (nadrodiny a rodiny) anotací pro všechny kompletně sekvenované organismy
  • SCOP a KOCOUR - Klasifikace proteinových struktur do superrodin, rodin a domén

Podobně existují algoritmy, které prohledávají PDB pro proteiny se strukturní homologií s cílovou strukturou, například:

  • DALI - Strukturální zarovnání založené na metodě matice pro zarovnání vzdálenosti

Viz také

Reference

  1. ^ A b Holm L, Rosenström P (červenec 2010). "Dali server: ochrana mapování ve 3D". Výzkum nukleových kyselin. 38 (Problém s webovým serverem): W545–9. doi:10.1093 / nar / gkq366. PMC  2896194. PMID  20457744.
  2. ^ A b C Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (leden 2012). „MEROPS: databáze proteolytických enzymů, jejich substrátů a inhibitorů“. Výzkum nukleových kyselin. 40 (Problém s databází): D343–50. doi:10.1093 / nar / gkr987. PMC  3245014. PMID  22086950.
  3. ^ Henrissat B, Bairoch A (červen 1996). „Aktualizace klasifikace glykosylhydroláz na základě sekvence“. The Biochemical Journal. 316 (Pt 2): 695–6. doi:10.1042 / bj3160695. PMC  1217404. PMID  8687420.
  4. ^ „Clustal FAQ #Symbols“. Clustal. Archivovány od originál dne 24. října 2016. Citováno 8. prosince 2014.
  5. ^ A b C d Han JH, Batey S, Nickson AA, Teichmann SA, Clarke J (duben 2007). "Skládání a vývoj proteinů více domén". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (4): 319–30. doi:10.1038 / nrm2144. PMID  17356578. S2CID  13762291.
  6. ^ A b Pandit SB, Gosar D, Abhiman S, Sujatha S, Dixit SS, Mhatre NS, Sowdhamini R, Srinivasan N (leden 2002). „SUPFAM - databáze potenciálních vztahů proteinové superrodiny odvozená porovnáním sekvenčně a strukturně založených rodin: důsledky pro strukturní genomiku a anotaci funkcí v genomech“. Výzkum nukleových kyselin. 30 (1): 289–93. doi:10.1093 / nar / 30.1.289. PMC  99061. PMID  11752317.
  7. ^ Orengo CA, Thornton JM (2005). "Proteinové rodiny a jejich vývoj - strukturální perspektiva". Roční přehled biochemie. 74 (1): 867–900. doi:10,1146 / annurev.biochem.74.082803.133029. PMID  15954844.
  8. ^ Liu Y, Bahar I (září 2012). „Vývoj sekvence koreluje se strukturální dynamikou“. Molekulární biologie a evoluce. 29 (9): 2253–63. doi:10.1093 / molbev / mss097. PMC  3424413. PMID  22427707.
  9. ^ A b 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 (září 2001). „Serpiny jsou rozšiřující se nadrodina strukturně podobných, ale funkčně odlišných proteinů. Evoluce, mechanismus inhibice, nové funkce a revidovaná nomenklatura.“. The Journal of Biological Chemistry. 276 (36): 33293–6. doi:10,1074 / jbc.R100016200. PMID  11435447.
  10. ^ Holm L, Laakso LM (červenec 2016). „Aktualizace serveru Dali“. Výzkum nukleových kyselin. 44 (W1): W351–5. doi:10.1093 / nar / gkw357. PMC  4987910. PMID  27131377.
  11. ^ Li D, Zhang L, Yin H, Xu H, Satkoski Trask J, Smith DG, Li Y, Yang M, Zhu Q (červen 2014). „Vývoj defensinů α a θ primátů odhalený analýzou genomů“. Zprávy o molekulární biologii. 41 (6): 3859–66. doi:10.1007 / s11033-014-3253-z. PMID  24557891. S2CID  14936647.
  12. ^ Krishna SS, Grishin NV (duben 2005). „Structural drift: a possible path to protein fold change“. Bioinformatika. 21 (8): 1308–10. doi:10.1093 / bioinformatika / bti227. PMID  15604105.
  13. ^ Bryan PN, Orban J (srpen 2010). „Proteiny, které mění záhyby“. Aktuální názor na strukturní biologii. 20 (4): 482–8. doi:10.1016 / j.sbi.2010.06.002. PMC  2928869. PMID  20591649.
  14. ^ A b Dessailly, Benoit H .; Dawson, Natalie L .; Das, Sayoni; Orengo, Christine A. (2017), „Funkční rozmanitost v záhybech a superrodinách“, Od struktury proteinů k funkci s bioinformatikou, Springer Nizozemsko, str. 295–325, doi:10.1007/978-94-024-1069-3_9, ISBN  9789402410679
  15. ^ Echave J, Spielman SJ, Wilke CO (únor 2016). "Příčiny evoluční změny rychlosti mezi bílkovinnými místy". Recenze přírody. Genetika. 17 (2): 109–21. doi:10.1038 / nrg.2015.18. PMC  4724262. PMID  26781812.
  16. ^ Shafee T, Gatti-Lafranconi P, Minter R, Hollfelder F (září 2015). „Evoluce Handicap-Recover vede k chemicky univerzální, nukleofilní permisivní proteáze“. ChemBioChem. 16 (13): 1866–1869. doi:10.1002 / cbic.201500295. PMC  4576821. PMID  26097079.
  17. ^ Buller AR, Townsend CA (únor 2013). „Vnitřní evoluční omezení struktury proteázy, acylace enzymu a identity katalytické triády“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 110 (8): E653–61. doi:10.1073 / pnas.1221050110. PMC  3581919. PMID  23382230.
  18. ^ Coutinho PM, Deleury E, Davies GJ, Henrissat B (duben 2003). "Vyvíjející se hierarchická klasifikace rodin pro glykosyltransferázy". Journal of Molecular Biology. 328 (2): 307–17. doi:10.1016 / S0022-2836 (03) 00307-3. PMID  12691742.
  19. ^ Zámocký M, Hofbauer S, Schaffner I, Gasselhuber B, Nicolussi A, Soudi M, Pirker KF, Furtmüller PG, Obinger C (květen 2015). „Nezávislý vývoj čtyř superrodin hemových peroxidáz“. Archivy biochemie a biofyziky. 574: 108–19. doi:10.1016 / j.abb.2014.12.025. PMC  4420034. PMID  25575902.
  20. ^ Akiva, Eyal; Brown, Shoshana; Almonacid, Daniel E .; Barber, Alan E .; Custer, Ashley F .; Hicks, Michael A .; Huang, Conrad C .; Lauck, Florian; Mashiyama, Susan T. (2013-11-23). „Databáze propojení struktur a funkcí“. Výzkum nukleových kyselin. 42 (D1): D521 – D530. doi:10.1093 / nar / gkt1130. ISSN  0305-1048. PMC  3965090. PMID  24271399.
  21. ^ Shakhnovich BE, Deeds E, Delisi C, Shakhnovich E (březen 2005). "Proteinová struktura a evoluční historie určují topologii sekvenčního prostoru". Výzkum genomu. 15 (3): 385–92. arXiv:q-bio / 0404040. doi:10,1101 / gr. 3136060. PMC  551565. PMID  15741509.
  22. ^ Ranea JA, Sillero A, Thornton JM, Orengo CA (říjen 2006). "Proteinová nadrodinová evoluce a poslední univerzální společný předek (LUCA)". Journal of Molecular Evolution. 63 (4): 513–25. Bibcode:2006JMolE..63..513R. doi:10.1007 / s00239-005-0289-7. hdl:10261/78338. PMID  17021929. S2CID  25258028.
  23. ^ Carr PD, Ollis DL (2009). Msgstr "Složení alfa / beta hydrolázy: aktualizace". Proteinové a peptidové dopisy. 16 (10): 1137–48. doi:10.2174/092986609789071298. PMID  19508187.
  24. ^ Nardini M, Dijkstra BW (prosinec 1999). „Alfa / beta hydroláza, složené enzymy: rodina stále roste“. Aktuální názor na strukturní biologii. 9 (6): 732–7. doi:10.1016 / S0959-440X (99) 00037-8. PMID  10607665.
  25. ^ "SCOP". Archivovány od originál dne 29. července 2014. Citováno 28. května 2014.
  26. ^ Mohamed MF, Hollfelder F (leden 2013). "Účinná, příčně katalytická promiskuita mezi enzymy, které katalyzují přenos fosforylu". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bílkoviny a proteomika. 1834 (1): 417–24. doi:10.1016 / j.bbapap.2012.07.015. PMID  22885024.
  27. ^ Branden C, Tooze J (1999). Úvod do proteinové struktury (2. vyd.). New York: Garland Pub. ISBN  978-0815323051.
  28. ^ Bolognesi M, Onesti S, Gatti G, Coda A, Ascenzi P, Brunori M (únor 1989). „Myoglobin Aplysia limacina. Krystalografická analýza při rozlišení 1,6 A“. Journal of Molecular Biology. 205 (3): 529–44. doi:10.1016/0022-2836(89)90224-6. PMID  2926816.
  29. ^ Bork P, Holm L, Sander C (září 1994). "Imunoglobulinový záhyb. Strukturální klasifikace, sekvenční vzory a společné jádro". Journal of Molecular Biology. 242 (4): 309–20. doi:10.1006 / jmbi.1994.1582. PMID  7932691.
  30. ^ Brümmendorf T, Rathjen FG (1995). "Buněčné adhezní molekuly 1: nadrodina imunoglobulinů". Profil bílkovin. 2 (9): 963–1108. PMID  8574878.
  31. ^ Bazan JF, Fletterick RJ (listopad 1988). „Virové cysteinové proteázy jsou homologní s rodinou serinových proteáz podobných trypsinu: strukturální a funkční důsledky“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 85 (21): 7872–6. Bibcode:1988PNAS ... 85.7872B. doi:10.1073 / pnas.85.21.7872. PMC  282299. PMID  3186696.
  32. ^ Vetter IR, Wittinghofer A (listopad 2001). "Přepínač vazby guaninového nukleotidu ve třech rozměrech". Věda. 294 (5545): 1299–304. Bibcode:2001Sci ... 294.1299V. doi:10.1126 / science.1062023. PMID  11701921. S2CID  6636339.
  33. ^ Nagano N, Orengo CA, Thornton JM (srpen 2002). "Jeden záhyb s mnoha funkcemi: evoluční vztahy mezi rodinami hlavně TIM na základě jejich sekvencí, struktur a funkcí". Journal of Molecular Biology. 321 (5): 741–65. doi:10.1016 / s0022-2836 (02) 00649-6. PMID  12206759.
  34. ^ Farber G (1993). "Α / β-hlaveň plná evolučních problémů". Aktuální názor na strukturní biologii. 3 (3): 409–412. doi:10.1016 / S0959-440X (05) 80114-9.

externí odkazy