Proteiinien superperhe

Proteiinien superperhe  on suurin proteiinien ryhmä, jolla voidaan olettaa olevan yhteinen evolutionaarinen esi-isä (katso homologia (biologia) ). Yleensä superperhe yhdistetään siihen sisältyvien proteiinien sekundaaristen ja tertiääristen rakenteiden samankaltaisuuden periaatteen ("rakenteellisen samankaltaisuuden") mukaisesti [1] ja proteiinien vaikutusmekanismin samankaltaisuusperiaatteen mukaisesti ("mekaaninen samankaltaisuus"). " tai "toiminnallinen samankaltaisuus"), huolimatta siitä, että aminohappojen samankaltaisuussekvenssejä superperheen sisällä ei ehkä havaita eikä useimmiten havaita [2] . Superperheet sisältävät tyypillisesti useita proteiiniperheitä, jotka osoittavat samankaltaisuutta aminohapposekvensseissä perheiden sisällä, mutta eivät perheiden välillä. Termiä "proteiiniklaani" käytetään usein MEROPS-luokituksen perusteella [2] perustuviin proteaasien superperheisiin .

Superperheiden tunnistaminen

Sekvenssihomologia

Proteiinien superperheen jäsenillä, jotka kuuluvat eri perheisiin, ei yleensä ole mitään merkittävää tai helposti havaittavissa olevaa aminohapposekvenssihomologiaa, mutta niillä on samanlaiset sekundaari- ja tertiääriset rakenteet ja niillä on usein jonkin verran toiminnallista samankaltaisuutta. Usein niitä on lähes mahdotonta tai ainakin erittäin vaikeaa kohdistaa aminohapposekvensseihin usein havaittujen insertioiden ja deleetioiden vuoksi . Esimerkiksi PA-proteaasien superperheessä ei yksikään aminohappotähde ole konservoitunut koko superperheessä, mukaan lukien jopa ne aminohappotähteet, jotka ovat osa näiden proteiinien katalyyttisiä triadeja.

Ja päinvastoin, superperheeseen kuuluvien yksittäisten perheiden jäsenet määräytyvät tarkasti perheeseen kuuluvien proteiinien aminohapposekvenssien (primäärirakenteiden) homologian periaatteen mukaan. Esimerkiksi PA-proteaasien superperhe sisältää C04-proteaasiperheen.

Rakennehomologia

Proteiinien sekundääriset ja tertiaariset rakenteet, jotka vaikuttavat suoraan niiden toiminnallisuuteen (esimerkiksi reseptorin kyky tunnistaa ligandeja  - agonisteja ja antagonisteja tai entsyymin kyky katalysoida tiettyjä kemiallisia reaktioita ) ovat paljon evoluutionaalisesti konservoituneempia kuin aminohappo. järjestys. Esimerkki tästä on PA-proteaasien superperhe. Siinä hyvin harvat proteiinien aminohappotähteet osoittavat merkittävää evolutionaarista konservatiivisuutta, kun taas sekundaarirakenteen tunnusomaiset elementit sekä niiden tilajärjestys tertiaarisissa rakenteissa ovat erittäin konservoituneita.

Rakenteelliset järjestys- ja kohdistusohjelmat, kuten DALI -ohjelma , voivat käyttää tutkijaa kiinnostavien proteiinien kolmiulotteisia toissijaisia ​​ja tertiäärisiä rakenteita proteiinirakenteiden tietokannassaan löytääkseen proteiineja, joilla on samanlainen laskostuminen . Proteiinien kolmiulotteisten toissijaisten ja tertiääristen rakenteiden vertailu auttaa tunnistamaan monia tapauksia evoluutionaalisesti samankaltaisista (ja evoluution esi-isä) proteiineista, jotka eivät olisi samanlaisia, yksinkertaisesti analysoimalla ja vertaamalla niiden primäärirakenteita (aminohapposekvenssejä).

Samankaltaisuus mekanismissa ja toiminnallinen samankaltaisuus

Superperheeseen kuuluvien entsyymien katalyyttinen mekanismi on yleensä enemmän tai vähemmän konservoitunut koko superperheen osalta, mutta niiden substraattispesifisyys voi vaihdella varsin merkittävästi superperheen välillä. Tämän seurauksena proteiinien lopullinen toiminnallinen tarkoitus kehossa voi vaihdella merkittävästi riippuen niiden substraattispesifisyydestä. Eli ulkoista toiminnallista samankaltaisuutta ei välttämättä ole.

Myös (vaikkakaan ei välttämättä eikä aina) superperheeseen kuuluvien entsyymien katalyyttisellä domeenilla on taipumus säilyttää aminohapposekvenssin korkea taso tässä tietyssä domeenissa (ja vielä enemmän sekundaari- ja tertiaarisessa rakenteessa). katalyyttinen domeeni). Kuitenkin, vaikka katalyyttisen domeenin aminohapposekvenssi ei olisi konservoitunut, itse katalyyttinen mekanismi ja/tai katalyyttisen domeenin sekundaariset ja tertiaariset rakenteet voivat säilyä.

Esimerkki yllä kuvatun katalyyttisen mekanismin superperheen laajuisesta retentiosta on jälleen PA-proteaasien superperhe. Se sisältää proteiineja, joilla on hyvin erilaisia ​​lopullisia toiminnallisia tarkoituksia (eli ei ole ulkoista toiminnallista samankaltaisuutta) - niiden joukossa on ruoansulatusentsyymi kymotrypsiini , trombolyyttinen entsyymi - plasminogeeniaktivaattori , bakteeri- ja käärmemyrkkyjä sekä virusproteaaseja, jotka varmistavat viruksen muodostumisen. hiukkasia. Kuten edellä mainittiin, tämän superperheen mittakaavassa yksikään aminohappotähde ei ole evoluutionaalisesti konservoitunut edes katalyyttisessä domeenissa. Ja silti kaikilla superperheen jäsenillä on merkittäviä yhtäläisyyksiä kolmiulotteisten rakenteidensa erityisissä katalyyttisissä elementeissä. Lisäksi, vaikka PA-proteaasien superperheen eri perheiden jäsenet käyttävät erilaisia ​​nukleofiilejä , ne kaikki tuottavat proteiinien tai peptidien kovalenttista nukleofiilistä katalyyttistä proteolyysiä yhteisellä katalyyttisellä mekanismilla.

Evolutionaalinen merkitys

Proteiinien superperheet heijastavat rajoituksia nykyisessä kyvyssämme tunnistaa yhteinen esi-isä [3] . Proteiinisuperperheet ovat suurin evoluutionaalisesti merkittävä samankaltaisten proteiinien ja geenien yhdistelmä, joka voidaan tällä hetkellä muodostaa suorien samankaltaisuustodisteiden perusteella (superperheiden tapauksessa enimmäkseen rakenteelliset ja osittain mekaaniset). Siksi toiminnallisesti ja aminohappojen eri proteiinien kolmiulotteisen rakenteellisen samankaltaisuuden löytäminen elävissä olennoissa, jotka ovat hyvin kaukana evoluution tikkailla, on yksi todiste hyvin ikivanhoista (ehkä vanhimmista niistä, jotka ovat yleisesti tutkittavissa). evoluution tapahtumia.

Jotkut proteiinien superperheet sisältävät proteiineja, joita esiintyy muodossa tai toisessa kaikissa tutkituissa elävissä olennoissa (esimerkiksi kaliumkanavat ), kaikissa valtakunnissa (mukaan lukien eläimet , kasvit , sienet , bakteerit ja muut prokaryootit ). Tämä saattaa viitata siihen, että näiden superperheiden proteiinien yhteinen esi-isä oli proteiineja, jotka olivat läsnä kaikkien elävien olentojen yleisessä yhteisessä esi-isässä [4] .

Superperheen jäseniä löytyy erilaisista eläimistä, kasveista, yksisoluisista olennoista ( ortologisista proteiineista). Samaan aikaan evolutionaalisesti vanhimpia ovat ilmeisesti ne superperheen jäsenet, jotka kuuluvat olentoihin, jotka ovat evoluutioportaiden alimmilla portailla. Näiden proteiinien yhteinen esi-isä on ilmeisesti jollain muinaisella sukupuuttoon kuolleella olennolla, joka oli kaikkien niiden lajien yhteinen esi-isä, jossa superheimon proteiineja esiintyy. Siten ortologisten proteiinien tutkiminen proteiinien superperheissä voi antaa mahdollisuuden piirtää tarkemmin lajien evoluutiopuuta.

Lisäksi saman lajin eläimen, kasvin tai yksisoluisen olennon samasta organismista voi löytyä useita eri edustajia tietystä proteiinien superperheestä (mukaan lukien ne, jotka suorittavat eri tehtäviä). Tällaisia ​​proteiineja kutsutaan paralogisiksi . Nämä paralogiset proteiinit voivat myös olla peräisin yhdestä yhteisestä proteiinien esi-isästä, joka jossain evoluution vaiheessa kaksinkertaistui tietyn lajin genomissa . Paralogisten proteiinien, niiden yhtäläisyyksien ja erojen tutkiminen auttaa valaisemaan proteiinien funktionaalisen evoluution polkua.

Esimerkkejä

• PA-proteaasien superperhe on kymotrypsiinin kaltaisten proteaasien superperhe. Superperheen jäsenillä on samanlainen rakenne kaksois-β-tynnyrin muodossa ja samanlaiset proteolyysimekanismit , mutta aminohapposekvenssihomologian aste on alle 10 %. Superperhe sisältää sekä kysteiini- että seriiniproteaaseja (eli käyttää erilaisia ​​nukleofiilejä ). Perheen jäsenillä on kuitenkin samanlainen katalyyttinen mekanismi ja samanlainen katalyyttisen domeenin kolmiulotteinen spatiaalinen rakenne. [2] [5]

• α/β- hydrolaasien superperhe . Superperheen jäsenet sisältävät samanlaisen rakenteen α/β-arkin muodossa, joka sisältää 8 β-säikettä, jotka on yhdistetty α-heliksien avulla, kun taas katalyyttisen domeenin aminohappotähteet kaikissa superperheen jäsenissä ovat samassa paikassa samassa järjestyksessä, [6] vaikka superperheen jäseniä ovat proteaasit, lipaasit , peroksidaasit, esteraasit , epoksidihydrolaasit ja dehalogenaasit. [7]

• Ras -tyyppisten proteiinien superperhe . Superperheen jäsenillä on yhteinen katalyyttinen G-domeeni.

• TIM-tynnyrien superperhe. Superperheen jäsenillä on suuri α 8 β 8 piippurakenne. Tämä on yksi yleisimmistä laskostuksista proteiinien joukossa, ja siksi niiden kaikkien yhdistäminen yhdeksi perheeksi (näiden proteiinien monofiilisuus) on edelleen kiistanalainen. [8] [9]

• Alkalisten fosfataasien superperhe . Superperheen jäsenillä on yhteinen αβα-sandwich-rakenne [10] , ja lisäksi ne katalysoivat yhteisiä fosfataasireaktioita yhteisellä mekanismilla. [yksitoista]

Proteiinien superperheresurssit

Useat biologiset tietokannat dokumentoivat proteiinien superperheitä, erityisesti:

• Pfam
• PROSITE
• InterPro
• PASS2
• SUPERPERHE
• SCOP ja CATH

Katso myös

• Homologia (biologia)

Muistiinpanot

1. ↑ Holm, L; Rosenström, P. Dali palvelin: luonnonsuojelun kartoitus 3D:ssä. (eng.)  // Nucleic Acids Research : päiväkirja. - 2010. - Heinäkuu ( osa 38 , no. Web Server -numero ). - P.W545-9 . - doi : 10.1093/nar/gkq366 . — PMID 20457744 .
2. ↑ 1 2 3 Rawlings, N.D.; Barrett, AJ; Bateman, A. MEROPS: Proteolyyttisten entsyymien, niiden substraattien ja estäjien tietokanta. (eng.)  // Nucleic Acids Research : päiväkirja. - 2012. - tammikuu ( osa 40 , nro Tietokantanumero ). - P.D343-50 . doi : 10.1093 / nar/gkr987 . — PMID 22086950 .
3. ↑ Shakhnovich, BE; Teot, E; Delisi, C; Shakhnovich, E. Proteiinin rakenne ja evoluutiohistoria määrittävät sekvenssiavaruuden topologian. (englanniksi)  // Genomitutkimus : päiväkirja. - 2005. - Maaliskuu ( osa 15 , nro 3 ) - s. 385-392 . - doi : 10.1101/gr.3133605 . — PMID 15741509 .
4. ↑ Ranea, JA; Sillero, A; Thornton, JM; Orengo, CA Proteiinin superperheen evoluutio ja viimeinen universaali yhteinen esi-isä (LUCA). (englanti)  // Journal of Molecular Evolution : päiväkirja. - 2006. - lokakuu ( osa 63 , nro 4 ) - s. 513-525 . - doi : 10.1007/s00239-005-0289-7 . — PMID 17021929 .
5. ↑ Bazan, JF; Fletterick, RJ Viruksen kysteiiniproteaasit ovat homologisia trypsiinin kaltaiselle seriiniproteaasiperheelle: rakenteelliset ja toiminnalliset vaikutukset. (englanti)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America  : Journal. - 1988. - marraskuu ( osa 85 , nro 21 ). - P. 7872-7876 . - doi : 10.1073/pnas.85.21.7872 . — PMID 3186696 .
6. ↑ Carr PD, Ollis DL Alfa/beta-hydrolaasilaskos: päivitys  (neopr.)  // Protein Pept. Lett.. - 2009. - V. 16 , No. 10 . - S. 1137-1148 . — PMID 19508187 .
7. ↑ Nardini M., Dijkstra BW Alfa/beta-hydrolaasin laskostusentsyymit: perhe jatkaa kasvuaan  (englanniksi)  // Curr. Opin. Rakenne. Biol. : päiväkirja. - 1999. - joulukuu ( osa 9 , nro 6 ). - s. 732-737 . - doi : 10.1016/S0959-440X(99)00037-8 . — PMID 10607665 .
8. ↑ Nagano, N; Orengo, CA; Thornton, JM Yksi taitto, jossa on monia toimintoja: TIM-tynnyriperheiden väliset evoluutiosuhteet niiden sekvenssien, rakenteiden ja toimintojen perusteella. (Englanti)  // Journal of Molecular Biology : päiväkirja. - 2002. - 30. elokuuta ( nide 321 , nro 5 ). - s. 741-765 . - doi : 10.1016/s0022-2836(02)00649-6 . — PMID 12206759 .
9. ↑ Farber, G. α/β-tynnyri täynnä evoluution aiheuttamia ongelmia  (määrittelemätön)  // Current Opinion in Structural Biology. - 1993. - V. 3 , nro 3 . - S. 409-412 . - doi : 10.1016/S0959-440X(05)80114-9 .
10. ↑ SCOP (downlink) . Käyttöpäivä: 28. toukokuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 29. heinäkuuta 2014. (määrätön) 
11. ↑ Mohamed, M.F.; Hollfelder, F. Tehokas, ristikkäinen katalyyttinen promiscuity entsyymien joukossa, jotka katalysoivat fosforyylin siirtoa. (englanti)  // Biochimica et Biophysica Acta : päiväkirja. - 2013. - tammikuu ( osa 1834 , nro 1 ). - s. 417-424 . - doi : 10.1016/j.bbapap.2012.07.015 . — PMID 22885024 .