Протеомный индекс надсемейства цитохромов Р450

• Автор: Лисица, Андрей Валерьевич
• Шифр специальности: 03.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 104 с.

СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Полиморфизм генов Р450
Эволюционное древо цитохромов Р450
Кланы
Эволюция цитохромов Р450 растений
Бактериальные цитохромы Р450
Систематика надсемейства цитохромов Р450
Методы выравнивания биологических текстов
Выравнивание как инструмент для реконструкции молекулярной эволюции 28 Матрицы замен аминокислотных остатков
Штрафы за вставку
Статистическая оценка результатов выравнивания
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
База данных
Техническая информация
Инвентаризация белковых надсемейств
Выравнивание консенсусных последовательностей
Принцип стабильности
Иерархическое выравнивание
Индексирование белков
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Инвентаризация надсемейства цитохромов Р450
ОПТИ МАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПАРНОГО ВЫРАВНИВАНИЯ
Сравнение белковых кластеров с классификацией генов
Влияние параметров выравнивания на результаты кластерного анализа
Консенсус надсемейства цитохромов Р450
Индекс надсемейства цитохромов Р450
Представление индекса цитохромов Р450 в электронном виде
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
A.thaliana — Arabidopsis thaliana
B.subtilis - Bacillus subtilis BLOSUM - Block Substitutions Matrix
C.elegans - Caenorhabditis elegans CYP - cytochrome P450, цитохром P
EST - expressed sequence tag, экспрессируемый фрагмент гена
MDM - Mutation Data Matrix
M.smegmatis - Mycobacterium smegmatis
M. tuberculosis - Mycobacterium tuberculosis
PAM - Percent Accepted Mutations
SNP - single nucleotide polymorphism, полиморфизм no одному нуклеотиду S.cerevisiae - Saccharomyces cerevisiae S.pombe - Schizosaccharomyces pombe

ВВЕДЕНИЕ
История изучения цитохромов Р450 началась в 1958 году, когда Клингенберг впервые спектроскопически определил этот фермент в микросомах печени крыс (Klingenberg, 1958). Дальнейшее развитие надсемейство цитохромов Р450 получает в 60-х годах: удается идентифицировать одну из его функций (Estabrook el al., 1963) и появляются первые свидетельства наличия нескольких ферментативных форм. Препараты очищенного фермента появляются в конце 60-х и широко используются до наших дней. В начале 80-х наступает период секвенирования ДНК, и в геномах организмов различных видов обнаруживаются гены, кодирующие цитохромы Р450. Становится ясно, что цитохромы Р450 в той или иной форме присутствуют в любой живой клетке, независимо ни от видовой или тканевой специфичности, ни даже от царства живой природы. Появляется первая кристаллическая структура, а к концу 20 века исследователям становится доступна информация о 8 кристаллах цитохромов Р450. Интенсивное развитие геномики позволяет предполагать, что в скором времени будут идентифицированы все гены цитохромов Р450 в экспериментальных животных. С приходом эры протеомики возникает новая задача - провести адекватную каталогизацию имеющейся информации и создать предпосылки для определения функций сотен новых форм цитохромов Р450.
Проблема аннотирования белков по гомологии первичных структур подробно освещалась в течение последних 30 лет (Needleman and Wunsch, 1970; Karlin and Altschul, 1990; Александров и Каламбет, 1990). Основное внимание уделялось отнесению новой структуры в соответствующее надсемейство (Миронов, 1990). В тоже время, формальные подходы к упорядочиванию белков внутри надсемейств не получили должного развития. Предлагаемые классификации белков одного надсемейства до сих пор носят субъективный характер, поскольку основаны на неполных и противоречивых данных экспериментального характера. Отмеченный недостаток в полной мере относится к номенклатуре надсемейства цитохромов Р450, накопившей к настоящему моменту существенное количество исключений и поправок.
Несмотря на то, что в начале 90-х годов количество форм цитохромов Р450 было все еще незначительным (порядка 150), и проблема классификации была не столь, очевидна, Арчаков и Дегртяренко (Archakov and Degtyarenko, 1993) предложили формальную модель классификации цитохромов Р450. В основу иерархической модели легло представление о первичной структуре белка как о главном классификационном признаке. Правомочность этого подхода получает подтверждение уже в 3-ем тысячелетии,

менее консервативные участки, которые могут варьировать, не оказывая влияния на функционирование белка. Таким образом, имеется целый ряд факторов, которые могут влиять на локализацию и типы замен аминокислотных остатков. В работе (Wilbur, 1985) проводилось тестирование марковской модели эволюции, и было показано, что подход действительно правомочен при внесении некоторых изменений в процедуру расчета матрицы РАМ.
Матрицы замен, основанные на анализе блоков. Другое семейство матриц замен -BLOSUM {Block Amino Acid Substitution Matrix) - также широко используется для оценки результатов выравнивания белковых последовательностей. Значения матрицы рассчитывались на основе анализа выборки из 2000 консервативных паттернов или блоков. Блоки были найдены в базе данных, содержащей белковые последовательности из более чем 500 различных надсемейств. Принцип, положенный в основу BLOSUM-матриц качественно отличается от похода, реализованного в процессе подготовки матриц семейства РАМ.
Основой для отбора надсемейств послужила информация, представленная в каталоге Prosite (Falquet et al., 2002). В этом каталоге белки распределены по надсемействам в соответствии с биохимическими особенностями функционирования. Для каждого надсемейства найденные паттерны детерминируют функцию. В каждом надсемействе были найдены участки выравнивания, не содержащие вставок и, те из них, которые обладали высокой специфичностью к членам данного надсемейства, получили название «блоки». Для выявления консервативных паттернов использовалась программа MOTIF (Smith et al., 1990). Найденные паттерны затем объединялись в блоки. Поскольку блок был характерен для всех членов надсемейства, то с его помощью можно было также осуществлять классификацию новых белков. Таким образом, объем надсемейств был увеличен за счет сканирования баз данных последовательностей на предмет наличия блоков.
Блоки, характеризующие определенное надсемейство, представляют собой вариант множественного выравнивания. В каждой колонке выравнивания можно подсчитать число замен аминокислотных остатков. Распределив подсчитанную информацию по типам замен и проведя анализ для всех консервативных паттернов, можно сгенерировать матрицу. Однако, в матрице такого типа будет наблюдаться искусственное смещение в сторону замен, характерных для наиболее близких членов надсемейств. Для компенсации этого доминирования, близкородственные структуры группируются вместе и заменяются одной консенсусной последовательностью, в которой замены усреднены. Например, для расчета