Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В некоторых участках аминокислотной последовательности возможны только строго определенные замены, что связано с необходимостью сохрансния функции белка. Аминокисл1>тпый состав некоторых белков изменялся сильнее, чем других. По этим и другим причинам скорость, с которой белки эволк>ционируют, разная. Еще один фактор, мешающий проследить ход эволюции, — псренос генов или ~руин генов от одного организма в другой, называемый горизонтальным (латеральным) переносом геков. Перенесенныс гены могут быть довольно похожими на те, что были в исходном организме, в то время как большинство остальных геяов в этих двух организмах имеют лишь весьма отдаленное сходство. Результатом горизонтального псреноса генов является наблюдающееся ссгодня быстрое распространение устойчивости к антибиотикам в популяции бактерий.
Белки, синтезируемыс на основе этих перенесенных генов, будут неудачными кандидатами для изучения эволюции бактерий, поскольку история вх эволюции в новом «хозяйском« организме очснь коротка. !1редмстом исследования в молскулярной эволюции обычно служат семейства близко- родственных белков. Для анализа отбирают семейства белков, играющих важную роль в клеточном мстаболизме, поскольку онн обязательно должны были присутствовать и в клетках-предшествснниках, а зто сильно снижает вероятность их появлсния в клетках в 3.4 Структура белка: первичная структура ]157] результате горизонтального переноса генов. Например, белок еЕГ-1о (фактор элонгацни 1а) участвует в синтезе белка у всех эукариот.
Похожий белок ЕГ-Тц обнаружен в клетках бактерий. Сходство последовательностей и выполняемых функций говорит о том, что сЕГ-а1 и ЕГ-Ти являются членами семейства белков, произошедшего от общего предшественника. Белки, входящие в состав семейства, называют гомологичными белками, или гомологами. Если два члена семейства, т. е. два гомолога, присутствуют в организмах одного вила, их называют паралогами. Гомологичные белки из организмов разных вилов называют ортологами. Для изучения процесса эволюции в первую очередь необходимо идентифицировать подходящие семейства гомологичных белков, а затем уже па их основе восстановить ход эволюции.
Идентификация гомологов осуществляется с помощью мощных компьютерных программ, которые позволяют напрямую сравнивать две или несколько белковых последовательностей, а также осуществлять поиск близких последовательностей в базах данных. Процесс электронного поиска можно представить себе как скольженис олной последовательности по другой до того момента, пока не будет пайдсн участок достаточного сходства. В данном процессе выравнивания последовательностей каждая позиция, в которой аминокислоты из двух амипокислотных последовательностей совпадают, получает определенный вес, различающийся в зависимости от использованной компьютерной программы; этот вес служит показателем качества выравнивания.
На данном пути возникают определепныс сложности. Иногда сравниваемые белки достаточно хорошо совпадают, скажем, на двух участках последователь- [158] Чапь1. 3. Аиииокислоты, лелтиды и белки ностей, разделенных между собой менее схожими участками разной длины. В результате одновременное выравнивание двух совпадающих участков невозможно.
Для решения этой проблемы компьютерная программа вводит в одну из послсловательностей пробел таким образом, чтобы два схожих участка могли накладываться друг па друга одновременно (рис. 3-30). Очевидно, что с использованием достаточного количества пробелов практически любыс две последовательности можно некоторым образом выровнять. Чтобы избежать пеинформативного выравнивания, коьшьютсрная программа за каждый пробел вычитает определенный штраф, тем самым снижая вес выравнивания.
Далее программа отбирает оптимальное выравнивание, при котором число илснтичпых аминокислотпых остатков максимально, а число пробелов минимально. расположение идентичных аминокислот часто нс позволяет определить степень родства белков в эволюционном плане. Более полезно в этом смысле исследование химических свойств амипокислотных замен. Аьпшокислотные замены в семействе белков часто бывают консервативными; это означает, что один аминокислотный остаток заменен другим, но с близкими химическими свойствами. Например, в одном белке семейства в определенной позиции находится 6!ц, а в лругом — Азр„заметьте, что оба остатка несут отрицательный заряд. Такам консервативная замена из логических соображений позволит осуществить более надежное выравнивание, чем неконсервативпая замена того же Азр, например, на гидрофобный остаток Рйе.
В большинстве случаев для поиска гомолого в и выяснения эволюционного родства белковые последовательности (как полученные в результате прямого аминокислотного секвенирования, так и выведенные на основании последовательности ДНК) более предпочтительны, чем некодирующие нуклеотилные последовательности (те, которые не кодируют последовательности белка или функциональной РНК). В случае нуклеиновых кислот, построенных всего из четырех различных остатков, случайное выравнивание пегомологичных последовательностей обычно приводит к совпадению как минимум 251ь позиций. Введение нескольких пробелов часто может повысить эту значение до 40Ж и более; в результате вероят- ность выравнивания неродственных последовательностей очень высока. Наличие 20 различных аминокислот в белке значитслыкк снижает возможность нсипформатнвного выравнивания подобного рода.
Все программы выравнивания последовательностей снабжены методами тестирования надежности выравнивания. В одном из тестов амииокислотную последовательность одного из сравниваемых белков перемешивают для получения случайной последовательности, а затем запускают программу выравнивания для сравнения сс с исходной послеловательностью. Новое выравнивание вновь характеризуют весами, а процессы персмешивания и выравнивания можно повторять много раз. Первое выравнивание, осуществленное до перемсшивания, должно иметь гораздо болыций вес, чем выравнивания случайных последовательностей. В таком случае существует уверенность, что выровненные последовательности действительно принадлежат двум гомологам. Заметьте, что отсутствие значительного веса выравнивания не обязательно означает отсутствие эволюционной связи двух белков. Как мы увидим в гл.
4, иногда при изучении трехмерных структур становится очевидным эволюционное родство, хотя гомология последовательностей не была обнаружена. Для изучения эволюционного родства стараются использовать семейства белков со сходными функциями из максимально возможного диапазона организмов, Полученная информация может быть использована для слежения за ходом эволкоции этих организмов.
На основании анализа расхождений в выбранных семействах белков исследователь может разделить организмы на классы в соответствии с их эволюционными связями. Эти данные должны соответствовать результатам классических исследований по физиологии и биохимии организмов. Некоторые участки белковой последовательности могут встречаться у организмов, относящихся к одной таксономической группе, но не к другим группам. Эти участки можно использовать в качестве маркерных последовательностей для тех групп, в которых они были обнаружены.
Примером такой маркерной последовательности является вставка из 12 аминокислот в !Ч-концевой области белков еЕГ-а1/ЕГ-Тц у всех архей и зу- 3.4 Структура белка: первичная пруктура [! 39[ Архси Гралготрипагслг ггмс бактерии Емйелсй!а сггй г спчоггск гтг,тая тттч Рис.
3-31. Маркерная последовательность семейства белков еЕГла1/ЕГ-гн. Маркерная последовательность (обведена рамкой) представляет собой вставку из 12 аминокислотных остатков, расположенную в М-концевой области. Совпадающие во всех последовательностях основания выделены желтым цветом. Маркерная последовательность существует как у архей, так и у эукариот, хотя в двух группах организмов эти вставки довольно сильно различаются. Изменения внутри маркерной последовательности отражают значительное эволюционное расхождение, которое произошло на этом участке после того, как он впервые появился у общего предшественника обеих групп.
Анализируя полные амицокислотныс последовательности белков, можно построить более соверц!сниые эвол)оциоцпыс древа со многими видами в каждой таксономической группе. На рис. 3-32 показано такое древо для бактерий, построенное па основании расхождений э последовательности белка СгоЕ1 (бслок, присут- Спирохеты Бакгсрпи! Ьасгслит РСЗ п)л йгарармспспл аигеиг гавот исм«Ьигуйлгт тглгйит рег/лпйелг мало СС-ггар е х и и и Ю о о о. хпгрттрсег спейси!о йпаелип р лгаг«яггтийг! много СС-пар спйастлит )ергие «Ьастйит гиЬгесийгги г а)Ьиг !ге«) «йит саййтит «и. гь пиг соттипв.т. Циаппбактсрии и хлоропласгы О,! тгмсваггсайг ит аелаат га.
р ст. Л тЬ)г)ориг Ыогт имхг. Рис. 3-32. Эволюционное древо, построенное на основании сравнения аминокмслотных последовательностей. Здесь представлено эволюционное древо бактерий, основанное иа расхождении аминокислотных последовательностей семейства белков бгоЕ1, Кроме того, на древе указано расположение хлоропластов (хв.) некоторых других видов организмов.
На)оьасгегтт Ьи!«ыит 5«!) о)оьиг .го()агапстт Яассйаготусег сегетлае !)г р И ка иоты Ното гаргелг !рагггкшожигельпыс бактерии Вапйиг юмгйг кариот, ио це у бактерий (рис. 3-31). Маркериыс последовательности являются одним из тсх ключей, которые помогают установить эволюционную связь между эукариотами и архсями. Другпс характерныс последовательности позволяют установить эволюционные связи между группами орииизыов на многих таксопомических уровнях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
