Лекция 8 - DNA punctuation

Гомологи, ортологи, паралоги.
Эволюция двух субъединиц
АТФ-азы. Интеины. Эффект
притяжения длинных ветвей.
Программы: ClustalX, SeaView,
NJPlot, TreeViewX, FigTree
Гомология
Крыло птицы
Крыло летучей мыши
рука человека
Определения:
гомологичными в биологии называют сопоставимые части
сравниваемых биологических объектов.
гомологичными в биоинформатике называют
последовательности, которые произошли от общего предка
гомология и аналогия
Последовательности могут быть похожими из-за конвергентной эволюции
Гомология (общий предок) против аналогии (конвергентная эволюция)
крыло птицы
крыло летучей мыши
крыло бабочки
крыло мухи
Парадигма родственных белков
Существующие сегодня белки произошли от белков-предков в
результате замен и отбора.
Родственные белки имеют похожие последовательности И
похожую структуру И схожие функции.
Под ”схожими функциями" можно понимать:
•идентичную функцию,
•Похожую функцию, т.е.:
•Катализ одинаковых реакций в различных организмах; или
•Одинаковый механизм катализа но различные субстраты
(дегидрогиназы яблочной и молочной кислоты);
•Подобные субединицы и домены, которые были соединены вместе
в результате перемешивания доменов, например, домены
связывания с нуклеотидами в гексокиназе, миозине, HSP70 и АТФсинтазе.
Типы гомологов: ортологи и паралоги
Две последовательности гомологичны, если существовала молекулапредшественник, от которой произошли обе последовательности
Типы гомологов
Ортологи: последовательности, происшедшие в результате видообразования
Паралоги: последовательности, происшедшие в результате дупликации
Cхожесть последовательностей
и гомология
Следующее утверждение основано на наблюдении и не является истинным
a priori:
Если две (сложные) последовательности обладают значительной схожестью
между первичными последовательностями, у них общий предок и, возможно,
одинаковые функции.
(хотя некоторые белки обретают совершенно новые функции, как, например,
появление альфа-кристаллина).
Quest for orthologs
ClustalX
Загрузите
последнюю версию
для вашей
операционной
системы
NJplot
Загрузите
последнюю версию
для вашей
операционной
системы
ATP-synthase
• F1 - часть над мембраной
• F0 - часть внутри мембраны
См анимацию о работе
АТФ -cинтазы:
http://www.dnatube.com/video/104/ATP-synthase-structure-and-mechanism
http://www.nature.com/nsmb/journal/v18/n6/full/nsmb.2058.html
Эволюция субъединиц alpha и beta
Скачайте файл с сайта - ATPase_AB.txt
A обозначает каталитическую субъединицу вакуольной АТФ-синтазы (V-ATPase) из
мембраны эукариотической эндомембранной системы и АТФ-синтазу архей. Их назвали
субъединицами A, потому что это самые большие по размеру субъединицы головной
группы.
bet - от beta, обозначает каталитическую субъединицу, которая связывается с АТФ,
АТФ-синтазы бактерий типа F (F-ATPase), также присутствующую в митохондриях и
пластидах. Их назвали субъединицами beta, потому что они вторые по величине
убъединицы головной группы.
B обозначает некаталитическую субъединицу вакуольной АТФ-синтазы (V-ATPase),
которая связывается с АДФ, из мембраны эукариотической эндомембранной системы и
АТФ-синтазу архей. Их назвали субъединицами B, потому что они вторые по величине
субъединицы головной группы.
аlp - от alpha, обозначает некаталитическую субъединицу, которая связывается с
АДФ, АТФ-синтазы бактерий типа F (F-ATPase), также присутствующую в митохондриях
и пластидах. Их назвали субъединицами alpha, потому что это самые большие по
размеру субъединицы головной группы.
fl обозначает белки, которые, если мутируют, предотвращают сборку бактериальной
флагеллы.
Виды, используемые для анализа
Mus musculus - мышь обыкновенная, животное (млекопитающее)
Arabidopsis thaliana - арабидопсис, цветочное растение (модельный
организм для ботаников)
Neurospora crassa - пекарская плесень (модельный организм для
генетиков)
Ecoli - Escherichia coli - грам-отрицательная бактерия (модельный
организм для биологов)
Aquifex aeolicus - экстремально термофильная бактерия
(модельный организм для астробиологов)
Methanosarcina barkeri - архея, эуриархеот
Sulfolobus acidocaldarius - архея, кренаархеот
Plasmdium, Trepanosoma -простейшие с жгутиком
Откройте файл в ClustalX
Создастся файл ATPase_AB.aln
Построение дерева методом
объединения соседей - (NJ tree)
Постройте 4 дерева с разным набором параметров (не
забудьте давать новые имена файлам)
•Exclude positions with gaps (не выбрано) - correct
for multiple substitutions (не выбрано)
•Exclude positions with gaps (не выбрано) - correct
for multiple substitutions (выбрано)
•Exclude positions with gaps (выбрано) - correct for
multiple substitutions (не выбрано)
•Exclude positions with gaps (выбрано) - correct for
multiple substitutions (выбрано)
Phylip format - формат под программы пакета Phylip.
Файлы имеют расширение .ph
Откройте дерево программой NJ-plot
То дерево, которое было построено с параметрами
Exclude positions with gaps (не выбрано) - correct for multiple substitutions (не выбрано)
Вопросы
• Как вы думаете, где должен находиться
корень?
• Какие субъединицы являются паралогами
(возникли в результате дупликации генов), а
какие ортологами (гомологи, возникшие в
результате видообразования)? Например,
субъединицы beta и A, ортологи или паралоги?
• Какая бифуркация на дереве соответсвтует
дупликации?
Сделайте бутстрэп-анализ с помощью ClustalX
откройте дерево (*.phb) в NJPlot
Еще одна программа для визуализации деревьев
Еще одна программа для визуализации деревьев
Некорневое дерево
Где поставить
корень?
Интеины
Скачайте файл с сайта - ATPase_intein.txt
Откройте в СlustalX и сделайте выравнивание
Дрожжи Saccharomyces и Candida
содержат интеин
Постройте деревья методом NJ с 4 возможными
опциями, как в предыдущем примере. Какое
дерево вы считаете наиболее правильным?
Sulfolobus и Thermococcus - археи
Borrelia - спирохета (бактерия)
Acetabularia - зеленая водоросль
Daucus - цветковое растение (морковь)
Candida и Saccharomyces - дрожжи
Neurospora - грибковое (но не дрожжи)
Drosophila - животное (фруктовая мушка)
Trypanosomes - простейшее.
Притяжение длинных ветвей
Скачайте файл с сайта - ATPase_intein_LongBranch.txt
Этот файл содержит все те же последовательности, что и в
предыдущем примере, плюс одна с удаленным родством ко всем
другим - ATPase-A из Сальмонеллы, участвующая в сборке флагеллы
(жгутика)
Откройте файл в СlustalX, сделайте выравнивание, постройте дерево
методом NJ, откройте дерево любой программой визуализации
(FigTree, TreeViewX, NJPlot)
Притяжение длинных ветвей (Long
branch attraction) - эффект филогенетики, когда два быстро
эволюционирующих вида объединяются как родственные, независимо от их
истинно эволюционных связей.
Притяжение длинных ветвей
Дерево построено
методом NJ, включая
пропуски и без
коррекции на
множественные
замены (параметры по
умолчанию)
Исключим пропуски
Притяжение длинных ветвей
Дерево построено
методом NJ, исключая
пропуски, но без
коррекции на
множественные
замены.
Сделаем коррекцию на
множественные замены
Притяжение длинных ветвей
Дерево построено
методом NJ, включая
пропуски, но с
коррекцией на
множественные
замены
Исчез эффект притяжения
длинных ветвей, но Neurospora
вклинилась между дрожжами,
содержащими интеин.
Притяжение длинных ветвей
Дерево построено
методом NJ, исключая
пропуски И с
коррекцией на
множественные
замены
Что будет, если мы добавим заведомо
неродственную последовательность?
Скачайте файл с сайта - ATPase_inteins_unrelated.txt
Этот файл содержит неродственную последовательность из бактерии
Synechococcus.
Откройте файл в СlustalX, сделайте выравнивание, постройте дерево
методом NJ, откройте дерево любой программой визуализации
(FigTree, TreeViewX, NJPlot)
Коррекция на множественные замены не работает
Дерево построено
методом NJ, включая
пропуски, но с
коррекцией на
множественные
замены
Коррекция на множественные замены не работает
Дерево построено
методом NJ, И
исключая пропуски, И с
коррекцией на
множественные
замены
Откройте (просто перетащите) файл
ATPase_inteins_LongBranch.txt в окно SeaView
выполните выравнивание последовательностей с помощью
метода musсle
Построение дерева методом
бережливости (Parsimony)
Protpars - программа из пакета PHYLIP,
реализованная в SeaView
Можно сделать
бутстрэп-анализ