Мутации и отбор

Мутации и отборСегодня основное внимание

уделим отбору

Мутации белка – следствия мутаций кодирующей

последовательности его ген

Каким может быть результат для последовательности белка?

Эффект мутации CDSМутация CDS Результат для аминокислотной

последовательностиЗамена одного нуклеотида 1. Нет эффекта (синонимическая мутация)

2. Замена одного остатка на другой3. Укорочение полипептида: замена на стоп-кодон4. Удлинение полипептида: потеря стоп-кодона

Делеция или вставка нуклеотидов в числе не кратном 3

Непредсказуемое изменение аминокислотной последовательности C-концевой части полипептида

Делеция нуклеотидов в числе кратном 3

Делеция одного или нескольких остатков

Вставка нуклеотидов в числе кратном 3

Вставка одного или нескольких остатков

Делеция одного нуклеотида и, через несколько нуклеотидов, вставка одного нуклеотида

Непредсказуемое изменение последовательности на участке между делецией и вставкой

Другие варианты ……..

Какие мутации CDS чаще всего сохраняются у потомков?

Синонимические мутации

Кодирующая последовательность белка VP3 полиовируса

  T(U) C A G T(U) TTT Phe

TTC PheTTA LeuTTG Leu

TCT SerTCC SerTCA SerTCG Ser

TAT TyrTAC TyrTAA StopTAG Stop

TGT CysTGC CysTGA StopTGG Trp

C СTT LeuСTC LeuСTA LeuСTG Leu

CCT ProCCC ProCCA ProCCG Pro

CAT HisCAC HisCAA GlnCAG Gln

CGT ArgCGC ArgCGA ArgCGG Arg

A ATT IleATC IleATA IleATG Met

ACT ThrACC ThrACA ThrACG Thr

AAT AsnAAC AsnAAA LysAAG Lys

AGT SerAGC SerAGA ArgAGG Arg

G GTT ValGTC ValGTA ValGTG Val

GCT AlaGCC AlaGCA AlaGCG Ala

GAT AspGAC AspGAA GluGAG Glu

GGT GlyGGC GlyGGA GlyGGG Gly

Стандартная таблица генетического кода

Какие мутации CDS реже всего сохраняются у потомков?

Мутации аминокислотных остатков, ответственных за

функцию или структуру белка

Выживет ли бакетрия с мутациейAsp339Ala в этом белке?

Имя атома

контакта

Имя контактирующего атома

белка

Расстояние в

Å

Предположительная природа контакта

Са 2+ Gln272:A.OE1

2.31 Электростатическое взаимодействие?

Са 2+ Asp339:A.OD2

2.51 Электростатическое взаимодействие

Братцева Аня

Предложите мутации Asp339 (возможно, одновременно с другой мутацией), которые

имеют шансы на “выживание”

Контакты с лигандом в yqjM_BACSU.Исследуемый объект - флавиномононуклеотид

(FMN). Ярахмедов Турал Имя атома контакта

Имя контактиру

ющего атома белка

Расстояние в

Å

Предположительная природа

контакта

FMN1500A.O2

HIS164A.R (ND1)

(заряженный радикал

гистидина)

3,37 Электростатическое

взаимодействие?

HIS167A.R (NE2)

3,73

GLN102A.NE2 [N-H]

2,79 Водородные связи?

ARG215A.NH1 [N-H]

2,90

FMN1500A.O3'

3,02

FMN1500A.O1P

ARG308A.NH2 [N-H]

2,82

FMN1500A.O2'

ARG215A.NH1 [N-H]

3,19

FMN1500A.O4

CYS26A.SG [S-H]

3,17

Контакты ионa марганца с белком MNTR_BACSU. Евсютина Даша.

Имя атома контакта

Имя контактиру

ющего атома белка

Расстояние в

Å

Предположительная природа

контакта

Ион марганца

Glu99.OE1 3.725 Электростатическое взаимодействие?

Иoн марганца

Glu99.OE2 2.19 Электростатическое взаимодействие?

Ион марганца

Glu102.OE2 2.254 Электростатическое взаимодействие?

Ион марганца

Glu102.OE1 2.572 Электростатическое взаимодействие?

Ион марганца

Glu11.OE1 3.196 Электростатическое взаимодействие?

Ион марганца

Glu11.OE2 2.192 Электростатическое взаимодействие

Мутации остатков, важных для правильной укладки полипептидной цепи

Phe49 – основа гидрофобного ядра гомеодомена

Какие шансы “выжить” делециям и вставкам?

Делеция/вставка в альфа-спирали

Гомеодомен – регулятор транскрипцииэукариот

Остатки спирали, смотрящие внутрь – гидрофобны (зеленые). Остатки, смотрящие наружу, - полярны и образуют водородные связи с ДНК

Что произойдет со спиралью белком при делеции “фиолетового” остатка?

Делеция/вставка в петле (порины)

Вывод

• Делеции/вставки в середине альфа-спирали имеют крайне мало шансов “выжить”

• То же относится и к бета-тяжам• Наиболее вероятны делеции и вставки в

петлях между элементами вторичной структуры белка

“Функциональное” выравнивание: совмещение остовов полипептидных

цепей• Соответствие эволюционного и

функционального выравниваний

• Укладка консервативней последовательности!

Аминокислотные остатки помещают в одну колонку выравнивания если они

• происходят от одного предкового остатка последовательности белка – общего предка (эволюция)

• их C_alpha атомы находятся в участках полипептидной цепи сходной конформации (структура)

• играют сходную роль в белке (функция)

Проблема выравнивания

• Мы наблюдаем только потомков общего предка, а самого предка не знаем

• Структуры известны менее, чем для 1% белков• Угадывать правильное выравнивание приходится по

последовательности. • Гомология белков• Структура гомолога нам поможет! • Мы должны отличать участки где выравнивание

правдоподобно от участков где выравнивания на самом деле нет, или оно не может быть обосновано сходством последовательностей или структур

Правильно ли выровнены последовательности?

Какое выравнивание “правильнее”?

* 20 * 4 MTA1_YEAST : K----SSISPQA-R------A------F-----LEQVFR : 17MAT2_YEAST : KPYRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLENLMK : 39 K 3 2 R A 5 LE 6 4 0 * 60 * MTA1_YEAST : RKQSLNSKEKEEVAKKCGITPLQVRVWFINKRMRSK- : 53MAT2_YEAST : NT-SL-SR-------------IQIKNWVSNRRRKEKT : 61 SL S4 6Q64 W N4R 4 K

13 “консервативных” остатков

12 консервативных остатков

Множественное выравнивание гомеодоменов

Красным выделены консервативные (одинаковые у всех) остатки;желтым – на 80% консервативные (одинаковые почти у всех) остатки

Красным выделены консервативные и функционально консервативные остатки

Пространственное совмещение полипептидных цепей белков mta1_yeast и

mat2_yeast

На плоской картинкевидно плохо

Совмещение структур и выравнивание последовательностей

“Случайное” совпадение C_alpha атомов в пространстве

Аминокислотные остатки в одной колонке биологически

обоснованного выравнивания, как правило, “произошли” из одного и того же остатка - их

общего предкаКроме случаев лабораторного генно-инженерного мутагенезаэто трудно проверить экспериментально!

ПРОБЛЕМА: как построить “правильное” выравнивание

последовательностей белков если структуры белков неизвестны?

Острота проблемы вытекает из статистики:

На сегодня известны: • последовательности примерно 10 млн

белков (большинство – гипотетические, как белок из записи Q9ZWN8_CERRI )

• пространственные структуры около 60 тыс. белков

Алгоритмические решения проблемы воплощены в

программах Программы выравнивания последовательностей

тестируются путем сравнения с биологически обоснованными – построенными по совмещению структур – выравниваниями

Существуют базы данных структурных выравниваний последовательностей (BAliBAse и др.)

Предположим, известны структуры родственных белков и, значит,

биологически обоснованное выравнивание последовательностей• При > 60% совпадающих букв любая современная

программа даст (почти) правильный результат• При < 20% совпадающих букв (такие примеры

существуют) ни одна программа не даст правильного выравнивания

• Между 20% и 60% , обычно, результат программы частично правилен

(*) Справедливы ли положения с предыдущего слайда для выравнивания

• последовательностей ДНК?

• последовательностей РНК?

Итак, биологический смысл выравнивания последовательностей

белков• Сα атомы остатков в одной колонке

обоснованного выравнивания примерно одинаково расположены в структурах белков (с оговорками из-за возможных изменений конформации белка в процессе его функционирования)

• В части столбцов остатки всех белков имеют сходные функции

• Остатки из одной колонки обоснованного выравнивания, скорее всего, “произошли” от одного остатка общего предка белков