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
Название белка |
Длина аминокислотной Последовательности (а.о.) |
Код доступа в базу данных |
АФП человека |
609 |
P02771 |
АФП мыши |
605 |
P02772 |
АФП крысы |
611 |
P02773 |
АФП курицы |
615 |
P84407 |
АФП свиньи |
610 |
Q8MJ76 |
АФП лошади |
609 |
P49066 |
АФП собаки |
609 |
Q8MJU5 |
Альбумин человека |
609 |
P02768 |
Альбумин мыши |
608 |
P07724 |
Альбумин крысы |
608 |
P02770 |
Альбумин свиньи |
607 |
P08835 |
Альбумин лошади |
607 |
P35747 |
Альбумин собаки |
608 |
P49822 |
Альбумин курицы |
615 |
P19121 |
Афамин человека |
599 |
P43652 |
Афамин мыши |
611 |
O89020 |
Афамин крысы |
608 |
P36953 |
ВДСБ человека |
474 |
P02774 |
ВДСБ мыши |
476 |
P21614 |
ВДСБ крысы |
476 |
P04276 |
Сходство а.о. в каждой паре аминокислотных последовательностей определяли по формуле:
- степень идентичности = ni/ n x 100%,
- общее сходство = (ni+nc)/n x 100%, где ni - количество идентичных а.о.,
- n - длина выравниваемых последовательностей с учетом пробелов (гэпов), nc - 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
Пары белков |
Значения идентичности для разных видов животных (в %). В скобках показано значение общего сходства (в %). |
||
человек |
мышь |
крыса |
|
альбумин-АФП
|
40.0 (63.9) |
34.4 (61.3) |
32.3 (58.4) |
АФП-афамин
|
38.7 (65.4) |
31.8 (58.1) |
31.7 (57.3) |
альбумин-афамин
|
33.8 (60.3) |
29.6 (54.7) |
28.2 (56.7) |
альбумин-ВДСБ
|
21.4 (47.2) |
21.2 (47.3) |
20.8 (43.9) |
АФП-ВДСБ
|
15.7 (36.3) |
19.1 (41.7) |
18.7 (41.5) |
афамин-ВДСБ
|
18.5 (45.4) |
16.8 (40.3) |
17.1 (41.8) |
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
Названия белков |
Аминокислотные последовательности |
Степень идентичности |
Доля консервативных замен |
Суммарное сходство |
АФП /афамин крысы (а.о.424-438/425-439 |
ELIDLTGKMVSIAST*
ELVSLSKEMVAALAT
|
6/15 (40%) |
5/15 (33%) |
73% |
АФП /афамин человека (а.о. 428-452/425-439 |
ELMAITRKMAATAAT**
ELVSLGEKMVTAFTT |
5/15 (33%) |
6/15 (40%) |
73% |
АФП /афамин человека (а.о. 458-472/453-467 |
AADI IIGHLCIRHEM*
LADLVFGELCGVNEN |
6/15 (40%) |
4/15 (27%) |
67% |
АФП/ афамин мыши(424-438/425-439 |
ELIDLTGKMVSIAST**
ELVSLSKEMVAALTT |
6/15 (40%) |
5/15 (33%) |
73% |
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
- Morinaga T., Sakai M., Wegmann T.G., Namaoki T. (1983) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 80, 4604-4608.
- Ruoslahti E., Terry W.D. (1976) Nature, 260, 804-805.
- He X.-M., Carter D. (1992) Nature, 358, 209-21.
- Harper M.E, Dugaiczyk A. (1983) Amer. J. Hum. Gen., 35, 565-572.
- Ingram R.S., Scott R.W., Tilghman. S. M. (1981) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 78, 4694-4698.
- Gorin M.B., Cooper D.L., Eiferman F., Van de Rijn P., Tilghman S.M. (1981) J. Biol. Chem. 256, 1954-1959.
- Brown J.R. (1976) Fed. Proc. 35, 2141-2144.
- Minghetti P.P., Law S. W., Dugaiczyk. A. (1985) Mol. Biol. Evol. 2(4), 347-358.
- Gibbs P. E.M., Witke W. F., Dugaiczyk A. J. (1998) Mol. Evol. 46, 552-561.
- Zuсkerkandl E., Pauling L. (1965) In V. Bryson and H. J. Vogel, eds. Evоlving genes and proteins, 97-166. Academic Press, New York.
- Dickerson R. E. (1971) J. Mol. Evol. 1, 26-45.
- Неiser M., Hutter-Paier B., Jercovic L., Pfranger R., Windisch M., Becker- Angre M., Dieplinger H. J. (2002) Neural Transm. Suppl. 62, 337-345.
Библиографическая ссылка
Терентьев А.А., Молдогазиева Н.Т. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ДИВЕРГЕНЦИИ БЕЛКОВ СЕМЕЙСТВА АЛЬБУМИНОИДНЫХ ГЕНОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 10. – С. 63-66;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23668 (дата обращения: 17.08.2024).