Построение выравнивания аминокислотных последовательностей на основе пространственного наложения структур белков
Мне были даны последовательности двух фрагментов белков в fasta-формате. Вот первый из них (19):
>19
FDPILLRPVDDLELTVRSANCLKAEAIHYIGDLVQRTEVELLKTPNLGKK
SLTEIKDVLASRGLSLGMRLENWPPASIADE
Вот второй фрагмент (20):
>20
EQEEELDLPLEELGLSTRVLHSLKEEGIESVRALLALNLKDLKNIPGIGE
RSLEEIKEALEKKGFTLKE
C помощью программы Rasmol было получено пространственное наложение структур этих последовательностей:
На этом рисунке последовательность 19 показана зеленым, а последовательность 20 - красным, Cα-атомы показаны крупными шариками.
Однако из-за довольно большой длины фрагментов рисунок получился несколько перегружен, поэтому я решил разделить его на два: на первом изображено пространственное наложение фрагмента последовательности 19 с 249-го аминокислотного остатка по 280-й на фрагмент последовательности 20 с 247-го а.о. по 279-й:
А на этом рисунке изображено наложение фрагмента последовательности 19 с 280-го по 329-й а.о. на фрагмент последовательности 20 с 279-го по 315-й а.о.:
Все обозначения на этих рисунках те же, что и на первом.
На основании полученных пространственных наложений фрагментов последовательностей с помощью программы GeneDoc было получено выравнивание этих последовательностей. Оно было сохранено в файле align111.msf. Вот оно:
Как мы видим, в большинстве участков фрагменты прекрасно накладываются друг на друга и говорят о гомологичности последовательностей, однако в некоторых участках имеются расхождения последовательностей (особенно большая петля видна в самом начале фрагментов (на первом из двух рисунков) с 6-й по 8-ю позицию выравнивания, а так же в конце фрагментов (на втором рисунке) с 43-й по 58-ю позицию выравнивания). Скорее всего, аминокислотные остатки этих участков последовательностей не очень сильно влияют на функцию белков, не являются участками активного центра белка. Это могло бы объяснить возможные вариации пространственной структуры этих фрагментов последовательностей. Что касается целых последовательностей, то мне кажется, что про них можно с достаточно большой вероятностью сказать, что они гомологичны друг другу, ведь большинство участков фрагментов очень удачно накладываются друг на друга.
Сравнение выравнивания с автоматически полученным выравниванием с помощью программы needle
С помощью программы needle мною было получено следующее глобальное выравнивание (штраф за начало пропуска - 10, штраф за продолжение пропуска на каждый пробел - 0.5):
Это выравнивание было сохранено мной в файле align112.msf.
Как видно, выравнивание, полученное в needle, не похоже на выравнивание, полученное на основании наложения пространственных структур, хотя вес автоматического выравнивания больше веса выравнивания, основанного на пространственных структурах. Впрочем, если внимательно посмотреть, то становится видно, что, в основном, разница между выравниваниями возникла именно в местах, где одна последовательность не накладывается на другую (например, начало последовательностей и злополучный участок с 43-й по 58-ю позицию выравнивания, основанного на пространственном наложении). Вне этих участков выравнивания, за редким исключением, совпадают, что говорит о том, что математический подход автоматического выравнивания не так уж и плохо отражает биологический смысл, однако, конечно, нуждается в биологически осмысленном редактировании. В данном случае автоматическое выравнивание смогло довольно точно показать совпадающие участки фрагментов последовательностей (совпадающие и при пространственном наложении), однако нужно понимать, что иногда бывает так, что разные по свойствам аминокислотные остатки способны образовывать похожие пространственные структуры, не нарушая таким образом функцию белка. Тем не менее, очень часто мы не имеем возможности обратиться к пространственным структурам белков (открыто пространственных структур гораздо меньше, чем последовательностей), поэтому мы вынуждены прибегать к автоматическому выравниванию. И, как видно из этого случая, оно, пусть и не покажет нам точно пространственно совпадающие фрагменты последовательностей, общую картину чаще всего дать сможет.