Элементарная эволюционная модель

Cравнение аминокислотных
последовательностей белков и нуклеотидных
последовательностей соответствующих генов
Создание двух выборок — выборки белков и выборки их генов с
помощью BLAST-сервера EBI.
Белок (AC)
p1 (P09373_ECOLI)
p2 (Q83LP6_SHIFL)
p3 (Q57R28_SALCH)
p4 (Q7N6E2_PHOLL)
p5 (Q9S4V8_AERHY)
p6 (Q89YJ3_BACTN)
p7 (Q92A91_LISIN)
Ген (AC)
g1 (AAC73989)
g2 (AAN42528)
g3 (AAX64833)
g4 (CAE13906)
g5 (AAD52103)
g6 (AAO79843)
g7 (CAC97261)
Наблюдение элементарных эволюционных событий в ближайших
гомологах
1.
При выравнивании белка PFLB_ECOLI и его ближайшего
гомолога Q83LP6_SHIFL (~97% совпадений) программой needle обнаружено
пять аминокислотных замен:
в 93-ой позиции – Q/A,
в 97-ой позиции – I/V,
в 198-ой позиции – L/Y,
в 470-ой позиции – V/L,
в 472-ой позиции – N/S.
Так выглядит
содержащая замены:
часть
выравнивания
белковых
последовательностей,
*
100
*
120
*
140
*
160
*
1
p1 : INKQLEKIVGLQTEAPLKRALIPFGGIKMIEGSCKAYNRELDPMIKKIFTEYRKTHNQGVFDVYTPDILRCRKSGVLTGLPDAYGRGRI : 177
p2 : INKALEKVVGLQTEAPLKRALIPFGGIKMIEGSCKAYNRELDPMIKKIFTEYRKTHNQGVFDVYTPDILRCRKSGVLTGLPDAYGRGRI : 178
80
*
200
*
220
*
240
*
260
p1 : IGDYRRVALYGIDYLMKDKLAQFTSLQADLENGVNLEQTIRLREEIAEQHRALGQMKEMAAKYGYDISGPATNAQEAIQWTYFGYLAAV : 266
p2 : IGDYRRVALYGIDYLMKDKYAQFTSLQADLENGVNLEQTIRLREEIAEQHRALGQMKEMAAKYGYDISGPATNAQEAIQWTYFGYLAAV : 267
*
280
*
300
*
320
*
340
*
p1 : KSQNGAAMSFGRTSTFLDVYIERDLKAGKITEQEAQEMVDHLVMKLRMVRFLRTPEYDELFSGDPIWATESIGGMGLDGRTLVTKNSFR : 355
p2 : KSQNGAAMSFGRTSTFLDVYIERDLKAGKITEQEAQEMVDHLVMKLRMVRFLRTPEYDELFSGDPIWATESIGGMGLDGRTLVTKNSFR : 356
360
*
380
*
400
*
420
*
440
p1 : FLNTLYTMGPSPEPNMTILWSEKLPLNFKKFAAKVSIDTSSLQYENDDLMRPDFNNDDYAIACCVSPMIVGKQMQFFGARANLAKTMLY : 444
p2 : FLNTLYTMGPSPEPNMTILWSEKLPLNFKKFAAKVSIDTSSLQYENDDLMRPDFNNDDYAIACCVSPMIVGKQMQFFGARANLAKTMLY : 445
*
460
*
480
*
500
*
520
*
p1 : AINGGVDEKLKMQVGPKSEPIKGDVLNYDEVMERMDHFMDWLAKQYITALNIIHYMHDKYSYEASLMALHDRDVIRTMACGIAGLSVAA : 533
p2 : AINGGVDEKLKMQVGPKSEPIKGDLLSYDEVMERMDHFMDWLAKQYITALNIIHYMHDKYSYEASLMALHDRDVIRTMACGIAGLSVAA : 534
Лиловым выделены замены.
2.
Какие элементарные эволюционные события повлекли за собой
аминокислотные замены?
Так выглядит часть выравнивания нуклеотидных последовательностей,
содержащая нуклеотидные замены:
*
160
*
180
*
200
*
g1 : ctgaagcgaccaccaccctgtgggacaaagtaatggaaggcgttaaactggaaaaccgcactcacgcgcca :
g2 : ctgaagcgaccaccaccctgtgggacaaagtaatggaaggtgttaaactggaaaaccgcactcacgcgcca :
213
213
220
*
240
*
260
*
280
g1 : gttgactttgacaccgctgttgcttccaccatcacctctcacgacgctggctacatcaacaagcagc-ttg :
g2 : gttgattttgacaccgctgttgcttccaccatcacctctcacgacgctggctacatcaataa--agcgttg :
283
282
*
300
*
320
*
340
*
g1 : agaaaa--tcgttggtctgcagactgaagctccgctgaaacgtgctcttatcccgttcggtggtatcaaaa :
g2 : -gaaaaagttgttggtctgcagactgaagctccgctgaaacgtgctcttatcccgttcggtggtatcaaaa :
352
352
360
*
380
*
400
*
420
g1 : tgatcgaaggttcctgcaaagcgtacaaccgcgaactggatccgatgatcaaaaaaatcttcactgaatac :
g2 : tgatcgaaggttcctgcaaagcgtacaaccgcgaactggacccgatgatcaaaaaaatcttcactgaatac :
423
423
*
440
*
460
*
480
*
g1 : cgtaaaactcacaaccagggcgtgttcgacgtttacactccggacatcctgcgttgccgtaaatctggtgt :
g2 : cgtaaaactcacaaccagggcgtgttcgacgtttacactccggacatcctgcgttgccgtaaatccggtgt :
494
494
500
*
520
*
540
*
560
g1 : tctgaccggtctgccagatgcatatggccgtggccgtatcatcggtgactaccgtcgcgttgcgctgtacg :
g2 : tctgaccggtctgccagatgcttatggccgtggccgtatcatcggtgactaccgtcgcgttgcgctgtacg :
565
565
*
580
*
600
*
620
*
64
g1 : gtatcgactacctgatgaaagacaaactggcacagttcacttctctgcaggctgatctggaaaacggcgta :
g2 : gtatcgactacctgatgaaagacaaatacgctcagttcacctctctacaggctgatctggaaaacggcgta :
636
636
0
*
660
*
680
*
700
*
g1 : aacctggaacagactatccgtctgcgcgaagaaatcgctgaacagcaccgcgctctgggtcagatgaaaga :
g2 : aacctggaacagactatccgtctgcgcgaagaaatcgctgaacagcaccgcgctctgggtcagatgaaaga :
707
707
720
*
740
*
760
*
780
g1 : aatggctgcgaaatacggctacgacatctctggtccggctaccaacgctcaggaagctatccagtggactt :
g2 : aatggctgcgaaatacggctacgacatctctggtccggctaccaacgctcaggaagctatccagtggactt :
778
778
*
800
*
820
*
840
*
g1 : acttcggctacctggctgctgttaagtctcagaacggtgctgcaatgtccttcggtcgtacctccaccttc :
g2 : acttcggctacctggctgctgttaagtctcagaacggtgctgcaatgtccttcggtcgtacctccaccttc :
849
849
860
*
880
*
900
*
920
g1 : ctggatgtgtacatcgaacgtgacctgaaagctggcaagatcaccgaacaagaagcgcaggaaatggttga :
g2 : ctggatgtgtacatcgaacgtgacctgaaagctggcaagatcaccgaacaagaagcgcaggaaatggttga :
920
920
*
940
*
960
*
980
*
g1 : ccacctggtcatgaaactgcgtatggttcgcttcctgcgtactccggaatacgatgaactgttctctggcg :
g2 : ccacctggtcatgaaactgcgtatggttcgcttcctgcgtactccggaatacgatgaactgttctctggcg :
991
991
1000
*
1020
*
1040
*
1060
g1 : acccgatctgggcaaccgaatctatcggtggtatgggcctcgacggtcgtaccctggttaccaaaaacagc : 1062
g2 : acccaatctgggcaaccgaatctatcggtggtatgggcctcgatggtcgtaccctggttaccaaaaacagc : 1062
*
1080
*
1100
*
1120
*
g1 : ttccgtttcctgaacaccctgtacaccatgggtccgtctccggaaccgaacatgaccattctgtggtctga : 1133
g2 : ttccgtttcctgaacaccctgtacactatggggccgtctccggaaccgaacatgaccattctgtggtctga : 1133
1140
*
1160
*
1180
*
1200
g1 : aaaactgccgctgaacttcaagaaattcgccgctaaagtgtccatcgacacctcttctctgcagtatgaga : 1204
g2 : aaaactgccgctgaacttcaagaaattcgccgctaaagtgtccatcgacacctcttctctgcagtatgaga : 1204
*
1220
*
1240
*
1260
*
12
g1 : acgatgacctgatgcgtccggacttcaacaacgatgactacgctattgcttgctgcgtaagcccgatgatc : 1275
g2 : acgatgacctgatgcgtccggacttcaacaacgatgactacgctatcgcttgctgcgtaagcccgatgatc : 1275
80
*
1300
*
1320
*
1340
g1 : gttggtaaacaaatgcagttcttcggtgcgcgtgcaaacctggcgaaaaccatgctgtacgcaatcaacgg : 1346
g2 : gttggtaaacaaatgcagttcttcggtgcgcgtgcaaacctggcgaaaaccatgctgtacgcaatcaacgg : 1346
*
1360
*
1380
*
1400
*
1420
g1 : cggcgttgacgaaaaactgaaaatgcaggttggtccgaagtctgaaccgatcaaaggcgatgtcctgaact : 1417
g2 : cggcgttgacgaaaaactgaaaatgcaggttggtccgaagtctgaaccgatcaaaggcgatctcctgagct : 1417
*
1440
*
1460
*
1480
*
g1 : atgatgaagtgatggagcgcatggatcacttcatggactggctggctaaacagtacatcactgcactgaac : 1488
g2 : acgatgaagtgatggagcgcatggatcacttcatggactggctggctaaacagtacatcactgcactgaac : 1488
1500
*
1520
*
1540
*
1560
g1 : atcatccactacatgcacgacaagtacagctacgaagcctctctgatggcgctgcacgaccgtgacgttat : 1559
g2 : atcatccactacatgcacgacaagtacagctacgaagcctctctgatggcgctgcacgaccgtgacgttat : 1559
*
1580
*
1600
*
1620
*
g1 : ccgcaccatggcgtgtggtatcgctggtctgtccgttgctgctgactccctgtctgcaatcaaatatgcga : 1630
g2 : ccgcaccatggcgtgtggtatcgctggtctgtccgttgctgctgactccctgtctgcaatcaaatatgcga : 1630
1640
*
1660
*
1680
*
1700
g1 : aagttaaaccgattcgtgacgaagacggtctggctatcgacttcgaaatcgaaggcgaatacccgcagttt : 1701
g2 : aagttaaaccgattcgtgacgaagacggtctggctatcgacttcgaaatcgaaggcgaatacccgcagttt : 1701
*
1720
*
1740
*
1760
*
g1 : ggtaacaatgatccgcgtgtagatgacctggctgttgacctggtagaacgtttcatgaagaaaattcagaa : 1772
g2 : ggtaacaatgatccgcgtgtagatgacctggctgttgacctggtagaacgtttcatgaagaaaattcagaa : 1772
1780
*
1800
*
1820
*
1840
g1 : actgcacacctaccgtgacgctatcccgactcagtctgttctgaccatcacttctaacgttgtgtatggta : 1843
g2 : actgcacacctaccgtgacgctatcccgactcagtctgttctgaccatcacttctaacgttgtgtatggta : 1843
*
1860
*
1880
*
1900
*
1
g1 : agaaaacgggtaacaccccagacggtcgtcgtgctggcgcgccgttcggaccgggtgctaacccgatgcac : 1914
g2 : agaaaactggtaacaccccagacggtcgtcgtgctggcgcgccgttcggaccgggtgctaacccgatgcac : 1914
920
*
1940
*
1960
*
1980
g1 : ggtcgtgaccagaaaggtgcagtagcctctctgacttccgttgctaaactgccgtttgcttacgctaaaga : 1985
g2 : ggtcgtgaccagaaaggtgctgtagcgtctctgacttccgttgctaaactgccgtttgcttacgctaaaga : 1985
Голубым выделены делеции.
Лиловым выделены замены в третьей позиции.
Серым выделены замены в первой и второй позициях.
В рамочку обведены замены в нуклеотидной последовательности, повлекшие
изменения в аминокислотной последовательности:
1) Q – A (276-281 позиции): две несинонимичные замены - по первой позиции С G, и по второй позиции А - С.
GCAGC--AGCG
2) L – Y (595-597 позиции): две несинонимичные замены - по первой позиции С T, и по второй позиции Т - А.
CTG
TAC
3) N – S (1417-1419 позиции): одна несинонимичная замена по второй позиции А G.
AAC
AGC
4) I – V (289-291 позиции): одна несинонимичная замена по первой позиции А - G.
A--TC
AAGTT
5) V – L (1408-1410 позиции): одна несинонимичная замена по первой позиции G –
C.
GTC
CTC
Отметим
следующую
особенность
выравнивания:
нуклеотидная
последовательность, соответствующая первой и второй аминокислотным заменам,
была выровнена следующим образом:
gcagc-ttgagaaaa--tc
--agcgttg-gaaaaagtt
Как видно, появляются делеции. Но возможен другой вариант выравнивания:
gcagcttgagaaaatc
agcgttggaaaaagtt
Такое выравнивание полностью верно, но предполагается наличие большего
числа замен в последовательностях.
Заметим, что имеющаяся замена пятого нуклеотида данного выравнивания
C/T, хотя и произошла по «первой позиции», является синонимичной.
Случаев синонимичных замен по первоначальному выравниванию: 20.
Из них в третьих позициях кодонов: 20.
Случаев синонимичных замен по выравниванию без делеций: 24. Из них
в третьих позициях кодонов: 23.

Соотношение между синонимичными и несинонимичными заменами по
выравниванию, не содержащему делеции: 24/7 ~ 3,4
Чем чаще происходит синонимичная замена по сравнению с несинонимичной,
тем более консервативная последовательность. Довольно высокое значение
отношения свидетельствует о консервативности.

«Матрица замен» нуклеотидов:
a
c
g
t
a
0
c
g
0
3
t
4
3
4
1
2
2
3
3
1
2
2
Известна закономерность: транзиции более вероятны, чем трансверсии. То
есть, вероятнее замена пуринового основания на пуриновое, чем на
пиримидиновое. Из этого следует, что замены A/G и C/T встречаются чаще. По
получившейся матрице замен эта закономерность хорошо выявляется для пары
C/T, а неочевидность преобладания замены A/G можно списать на недостаточность
данных.
Исследование зависимости процента совпадений
последовательностей белков от процента совпадений
последовательностей их генов
Haem agglutinin
100
Gene % identity
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
Protein % identity
График 1. Пунктирная линия (ось С) показывает зависимость процента
совпадений в белковых последовательностях от совпадений в нуклеотидной
последовательности. Ось С получена следующим образом: прямой соединены
точки, отвечающие за выравнивание, с одной стороны, последовательности
некоторого белка с самим собой (100, 100), с другой стороны, последовательностей
двух несвязанных белков (5, 25). Синяя ломаная – аналогичная зависимость для
выборки гомологов белка гемагглютинина.
Formate acetyltransferase 1
100%
Gene % identity
80%
60%
40%
20%
0%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Protein % identity
График 2. Розовая линия (ось С) показывает зависимость процента
совпадений в белковых последовательностях от совпадений в нуклеотидной
последовательности. Ось С получена следующим образом: прямой соединены
точки, отвечающие за выравнивание, с одной стороны, последовательности
некоторого белка с самим собой (100, 100), с другой стороны, последовательностей
двух несвязанных белков (5, 25). Синяя ломаная – аналогичная зависимость для
выборки гомологов белка форматацетилтрансферазы 1.
На первый взгляд графики похожи, но стоит отметить отклонение графика
форматацетилтрансферазы 1 от оси С по сравнению с графиком гемагглютинина.
Известно, что вирус гриппа распространяется среди людей, присоединяясь к
человеческим клеткам с помощью белка гемагглютинина, находящегося на
оболочке вируса. Поскольку конфигурация аминокислот, определяющих
разновидность белка гемагглютинина, часто изменяется, ежегодно появляется
новый тип вируса гриппа.
Из этих данных можно сделать вывод, что первый график соответствует
набору мало консервативных последовательностей. В то же время было получено,
что гомологи белка форматацетилтрансферазы 1 являются довольно
консервативными. Этот факт подтверждается соответствующим графиком. Графий,
(по крайней мере, для двух ближайших гомологов, для которых вычислено
отношение синонимичных и несинонимичных замен) форматацетилтрансферазы 1
сильнее отклоняется от оси С, в то время как для гемагглютинина этого не
наблюдается.