Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Альбуминоидные гены расположены последовательно друг за другом в 5-ой хромосоме у мыши и в субцентромерной области q11-22 4-ой хромосомы у человека и их нуклеотидные последовательности обладают высокой степенью сходства [4, 5]. Предполагается, что все гены данного семейства произошли от некоего предкового гена, кодировавшего полипептидную цепь, соответствующую одному домену и состоящую примерно из 190 аминокислотных остатков (а.о.) [6, 7]. Путем удлинения (трипликации) предкового гена образовался ген-предшественник, кодирующий трехдоменную полипептидную цепь. Затем произошла серия дупликаций гена-предшественника с образованием четырех независимых генов.

Minghetti и соавт., а затем Gibbs и соавт. [8, 9] определили количество синонимичных и несинонимичных нуклеотидных замен в альбуминоидных генах и выяснили, что белки этого семейства характеризуются разной скоростью эволюции. Наибольшая скорость эволюции была определена для афамина, который накапливает 27.1% замен а.о. за 100 миллионов лет (Myr). Скорость эволюции АФП (22.5% замен а.о. за 100 Myr) выше, чем альбумина (20.2% замен а.о. за 100 Myr) и наименьшая для ВДСВ (18% замен а.о. за 100 Myr). На основании этих расчетов было подсчитано приблизительное время дивергенции этих белков: около 580 Myr назад - ВДСВ, 295 Myr назад - альбумин и 250 Myr назад - АФП и афамин.

Материалы и методы. Нами было осуществлено сравнительное изучение первичных структур методом попарного выравнивания незрелых (полных) и зрелых (после процессинга) аминокислотных последовательностей белков семейства альбуминоидных генов у разных биологических видов и оценена степень сходства между белками по степени идентичности, а также общее сходство с учетом консервативных замен а.о. в каждой паре белков. В современных базах данных первичных структур белков (Swiss-Prot и TrEMBL) нами были обнаружены аминокислотные последовательности всех четырех представителей этого семейства лишь для трех биологических видов - человека, мыши и крысы. Ещё для пяти биологических видов расшифрованы первичные структуры двух белков семейства: свиньи, лошади, собаки и курицы - альбумина и АФП, кролика - альбумина и ВДСБ (табл.1).

Выравнивание аминокислотных последовательностей осуществляли использованием программы ClustalW (версия 1.82). Для выравнивания использовались следующие параметры:

- Матрица - Gonnet,

- Штраф за факт пробела (Gap Open) - 10.0

- Штраф за протяженность пробела (Gap Extension) - 0.2

- ENDGAP = -1

- GAPDIST = 4

Таблица 1. Аминокислотные последовательности, использованные для выравнивания

Сходство а.о. в каждой паре аминокислотных последовательностей определяли по формуле:

- степень идентичности = n_i/ n x 100%,

- общее сходство = (n_i+n_c)/n x 100%, где n_i - количество идентичных а.о.,

- n - длина выравниваемых последовательностей с учетом пробелов (гэпов), n_c - количество консервативных замен.

Результаты и обсуждение. Полученные результаты показывают, что степень идентичности между парами полных (незрелых) последовательностей АФП и альбумина уменьшалась в ряду от курицы (40.3%) к человеку (40.0%), собаке (38.7%), свинье (37.3%), лощади (34.9%), мыши (34.4%) и крысе (32.3%). Общее сходство между последовательностями уменьшалось также от курицы (64.2%) к человеку (63.9%), собаке (63.6%), лошади (61.8%), свинье (61.5%), мыши (61.3%) и крысе (58.4%). Выравнивание зрелых аминокислотных последовательностей дало аналогичные результаты (за исключением собаки и свиньи, для которых выравнивания зрелых последовательностей не производилось в связи с отсутствием информации о длине сигнального пептида для их СА).

Для других пар белков было осуществлено выравнивание у трех биологических видов - человека, мыши и крысы. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения сходства аминокислотных последовательностей для разных пар белков у трех биологических видов

Видно, что наибольшее сходство у всех биологических видов характерно для пары альбумин-АФП и далее сходство убывает в парах АФП-афамин, альбумин-афамин, альбумин-ВДСБ. Однако в парах АФП-ВДСБ и афамин-ВДСБ наблюдается неравномерность убывания сходства у человека и у грызунов.

Если в парах АФП-афамин и альбумин-афамин сходство четко уменьшается в ряду человек, мышь, крыса, то в паре альбумин-ВДСБ значения идентичности мало отличаются у разных биологических видов. Примечательно то обстоятельство, что сходство аминокислотных последовательностей в паре АФП-ВДСБ заметно выше у мыши и крысы, чем у человека. Возможно, здесь имеет место неравномерность дивергенции белков у разных биологических видов.

Согласно концепции молекулярных часов [10, 11] каждый белок обладает характерной и постоянной скоростью эволюции. Механизм, приводящий часы в движение, определяется мутациями, происходящими в генах, кодирующих тот или иной белок и накапливаемых с момента дивергенции генов. Различия в последовательностях ДНК или белка у разных видов могут быть использованы для определения времени их дивергенции от общего предка.

Ранее было показано, что скорость эволюции одного и того же белка может значительно различаться у разных биологических видов [9]. Также было замечено, что скорость эволюции АФП выше у грызунов, чем у других млекопитающих. Наши результаты показывают неравномерность убывания сходства в парах АФП-ВДСБ и афамин-ВДСБ у человека и у грызунов. В паре АФП-ВДСБ сходство заметно выше у мыши и крысы, чем у человека, в то время как в остальных белковых парах сходство аминокислотных последовательностей выше у человека.

Возможно, такие различия определяются скоростью накопления мутаций в аминокислотных последовательностях у разных биологических видов, отличающихся разной скоростью генерации потомства и разными размерами популяций. Чем меньше скорость генерации и чем меньше размер популяции, тем быстрее происходит фиксация мутаций в популяции.

Ход молекулярных часов может определяться также функциями белков. Быстро эволюционирующие белки, видимо, могут претерпевать значительные структурные изменения без существенного влияния на их функции. Большая часть мутаций в этих белках оказываются индифферентными к естественному отбору. Часть мутаций в медленно эволюционирующих белках, приводящая к нарушению их функционирования, элиминируются в процессе естественного отбора, и не фиксируется в популяции. Следовательно, быстро эволюционирующие белки должны сохранять функционально важные участки и специфичность функций, в то время как медленно эволюционирующие белки утрачивают их.

Известно, что сывороточный альбумин не обладает какими-либо специфическими функциями. Он способен неспецифически связывать различные гидрофобные лиганды и ионы металлов, а также играет важную роль в поддержании коллоидно - осмотического давления плазмы крови. ВДСБ является также мультифункциональным белком, который в сыворотке крови транспортирует витамин Д, а также связывает мономеры актина, предотвращая их полимеризацию. Биологическая роль альфа-фетопротеина до конца не выяснена. Однако показано, что АФП обладает рядом специфических функций и в его составе выявлены функционально важные участки, ответственные за те или иные его функции. Активность части из этих участков подтверждена в различных экспериментальных моделях, других - лишь предсказана путем сравнения аминокислотных последовательностей АФП и некоторых факторов роста, белковых гормонов и ряда других белков. Показано, что АФП способен с высокой специфичностью связывать эстрогены и жирные кислоты, выявлены и экспериментально подтверждены участки, ответственные за эти функции.

Таблица 3. Cходство эстрогенсвязывающих участков альфа-фетопротеина и афамина

Нумерация а.о. дана для зрелых (после процессинга) последовательностей белков.

* означает функциональный участок с экспериментально подтвержденной активностью,

** означает функциональный участок с предполагаемой активностью

Функции афамина остаются пока еще мало изученными, в связи с тем, что этот белок обнаружен относительно недавно. Однако есть данные, говорящие в пользу того, что афамин человека способен специфически связывать и транспортировать витамин Е и совместно с витамином Е или самостоятельно предотвращать апоптоз нервных клеток [12]. Данные о том, что афамин является наиболее быстро эволюционирующим белком данного семейства [9], позволяют предположить, что он должен характеризоваться сохранностью консервативных а.о. в функционально важных участках.

Мы провели сравнительный анализ аминокислотных последовательностей афамина и АФП, для которого экспериментально установлены специфические функционально важные участки. В составе афамина человека, мыши и крысы обнаружены участки, обладающие высокой степенью сходства с эстрогенсвязывающими участками АФП (табл.3).

Эти данные, наряду с тем, что в составе сывороточного альбумина подобные участки не обнаружены, могут указывать на то, что афамин, возможно, способен связывать и транспортировать эстрогены.

Заключение. Полученные нами результаты демонстрируют неравномерность убывания сходства в парах белков АФП-ВДСБ и афамин-ВДСБ у человека и у грызунов по сравнению с другими парами белков, производных альбуминоидных генов, которую мы не можем объяснить в рамках гипотезы «молекулярных часов». Эти данные могут свидетельствовать о неравномерности дивергенции белков семейства альбуминоидных генов у млекопитающих. Попарное сравнение методом выравнивания первичных структур белков с известной функцией с белками, функции которых неизвестны, позволяет с большей степенью вероятности предсказывать возможные функционально-активные участки в первичных структурах изучаемых белков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Morinaga T., Sakai M., Wegmann T.G., Namaoki T. (1983) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 80, 4604-4608.
2. Ruoslahti E., Terry W.D. (1976) Nature, 260, 804-805.
3. He X.-M., Carter D. (1992) Nature, 358, 209-21.
4. Harper M.E, Dugaiczyk A. (1983) Amer. J. Hum. Gen., 35, 565-572.
5. Ingram R.S., Scott R.W., Tilghman. S. M. (1981) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 78, 4694-4698.
6. Gorin M.B., Cooper D.L., Eiferman F., Van de Rijn P., Tilghman S.M. (1981) J. Biol. Chem. 256, 1954-1959.
7. Brown J.R. (1976) Fed. Proc. 35, 2141-2144.
8. Minghetti P.P., Law S. W., Dugaiczyk. A. (1985) Mol. Biol. Evol. 2(4), 347-358.
9. Gibbs P. E.M., Witke W. F., Dugaiczyk A. J. (1998) Mol. Evol. 46, 552-561.
10. Zuсkerkandl E., Pauling L. (1965) In V. Bryson and H. J. Vogel, eds. Evоlving genes and proteins, 97-166. Academic Press, New York.
11. Dickerson R. E. (1971) J. Mol. Evol. 1, 26-45.
12. Неiser M., Hutter-Paier B., Jercovic L., Pfranger R., Windisch M., Becker- Angre M., Dieplinger H. J. (2002) Neural Transm. Suppl. 62, 337-345.