Genetyczne uwarunkowania prawdopodobieństwa i zakresu

zmienności aminokwasów w procesie ewolucji molekularnej.

CZY AMINOKWASY POSIADAJĄ RODOWÓD ?

czyli...

CZY ZAWIERAJĄ INFORMACJĘ O SWOJEJ HISTORII (POCHODZENIU) ?

CZY PRZEMIANY MUTACYJNE AMINOKWASÓW SĄ ODWZOROWANIEM ŁAŃCUCHÓW MARKOWA ?

czyli...

Model Markowa zakłada, że prawdopodobieństwo substytucji aminokwasu przez inny, na drodze akceptowanych przemian mutacyjnych, jest zawsze takie samo niezależnie od tego jaki

aminokwas znajdował się na jego miejscu w przeszłości.

Stosowane obecnie algorytmy statystyczne przemian mutacyjnych aminokwasów zakładają markowowski model ich substytucji

(oparte są o macierze stochastyczne współczynników prawdopodobieństwa substytucji).

AA1 AA2AAx

Pa

AA1 AA2AAy

Pb

Pa = Pb

Macierz PAM250 substytucji aminokwasów

C 12 S 0 2 T -2 1 3 P -3 1 0 6 A -2 1 1 1 2 G -3 1 0 -1 1 5 N -4 1 0 -1 0 0 2 D -5 0 0 -1 0 1 2 4 E -5 0 0 -1 0 0 1 3 4 Q -5 -1 -1 0 0 -1 1 2 2 4 H -3 -1 -1 0 -1 -2 2 1 1 3 6 R -4 0 -1 0 -2 -3 0 -1 -1 1 2 6 K -5 0 0 -1 -1 -2 1 0 0 1 0 3 5 M -5 -2 -1 -2 -1 -3 -2 -3 -2 -1 -2 0 0 6 I -2 -1 0 -2 -1 -3 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 2 5 L -6 -3 -2 -3 -2 -4 -3 -4 -3 -2 -2 -3 -3 4 2 6 V -2 -1 0 -1 0 -1 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 2 4 2 4 F -4 -3 -3 -5 -5 -5 -4 -6 -5 -5 -2 -4 -5 0 1 2 -1 9 Y 0 -3 -3 -5 -3 -5 -2 -4 -4 -4 0 -4 -4 -2 -1 -1 -2 7 10 W -8 -2 -5 -6 -6 -7 -4 -7 -7 -5 -3 2 -3 -4 -5 -2 -6 0 0 17 C S T P A G N D E Q H R K M I L V F Y W

Macierz BLOSUM62 substytucji aminokwasów

A 4 R -1 5 N -2 0 6 D -2 -2 1 6 C 0 -3 -3 -3 9 Q -1 1 0 0 -3 5 E -1 0 0 2 -4 2 5 G 0 -2 0 -1 -3 -2 -2 6 H -2 0 1 -1 -3 0 0 -2 8 I -1 -3 -3 -3 -1 -3 -3 -4 -3 4 L -1 -2 -3 -4 -1 -2 -3 -4 -3 2 4 K -1 2 0 -1 -3 1 1 -2 -1 -3 -2 5 M -1 -1 -2 -3 -1 0 -2 -3 -2 1 2 -1 5 F -2 -3 -3 -3 -2 -3 -3 -3 -1 0 0 -3 0 6 P -1 -2 -2 -1 -3 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -1 -2 -4 7 S 1 -1 1 0 -1 0 0 0 -1 -2 -2 0 -1 -2 -1 4 T 0 -1 0 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -1 -1 -1 -1 -2 -1 1 5 W -3 -3 -4 -4 -2 -2 -3 -2 -2 -3 -2 -3 -1 1 -4 -3 -2 11 Y -2 -2 -2 -3 -2 -1 -2 -3 2 -1 -1 -2 -1 3 -3 -2 -2 2 7 V 0 -3 -3 -3 -1 -2 -2 -3 -3 3 1 -2 1 -1 -2 -2 0 -3 -1 4

A R N D C Q E G H I L K M F P S T W Y V

Przemiana Arg Lys wg interpretacji macierzy indeksów statystycznych

Arg Lys

PAM250 3

BLOSUM62 2

BLOSUM35 2

BLOSUM45 3

BLOSUM100 3

Q

Q

H

H

–

–

Y

Y

E

E

D

D

K

K

N

N

R

R

R

R

–

W

C

C

G

G

G

G

R

R

S

S

P

P

P

P

S

S

S

S

A

A

A

A

T

T

T

T

L

L

L

L

L

L

F

F

V

V

V

V

I

M

I

I

AGCU 1

3 2

Diagram relacji genetycznych między aminokwasami

AGCU 1

3 2

Q

Q

H

H

–

–

Y

Y

E

E

D

D

K

K

N

N

R

R

R

R

–

W

C

C

G

G

G

G

R

R

S

S

P

P

P

P

S

S

S

S

A

A

A

A

T

T

T

T

L

L

L

L

L

L

F

F

V

V

V

V

I

M

I

I

Diagram relacji genetycznych między aminokwasami CAA UAA GAA AAA

CAG UAG GAG AAG

CAC UAC GAC AAC

CAU UAU GAU AAU

CGA UGA GGA AGA

CGG UGG GGG AGG

CGC UGC GGC AGC

CGU UGU GGU AGU

CCA UCA GCA ACA

CCG UCG GCG ACG

CCC UCC GCC ACC

CCU UCU GCU ACU

CUA UUA GUA AUA

CUG UUG GUG AUG

CUC UUC GUC AUC

CUU UUU GUU AUU

Diagram relacji genetycznych między kodonami

MetAUG

MetAUG

ArgAGG

ArgAGG

LysAAG

LysAAG

ProCCC

ProCCC

AsnAAC

AsnAAC

ArgAGG

ArgAGG

GlnCAG

GlnCAG

HisCAC

HisCAC

SerAGC

SerAGC

ArgCGG

ArgCGG

ArgCGC

ArgCGC

LysAAG

LysAAG

?

Szlaki przemian mutacyjnych Arg Lys dla arginin odmiennego pochodzenia

Thr

Ser

SerUCG

SerAGU

Ile Asn

Arg Cys

Gly

TrpUGG

AlaThr Pro

TrpSer Leu

(UAG)

AsnAAU

Możliwe przemiany mutacyjne seryny w zależności od jej pochodzenia genetycznego

Substytucja aminokwasów oparta na pojedynczej tranzycji/transwersji nie jest odwzorowaniem

przemian (łańcuchów) markowowskich

Dowód teoretyczny Szlak przemiany argininy w lizynę, glutaminę i serynę dla

arginin pochodzących z przemian kodonów różnych aminokwasów

Możliwe kodony argininy: AGA AGG CGA CGG CGC CGT  

Przemiana argininy w lizynę

GlnCAR

ArgAGR

ArgAGR

SerAGY

ArgCGR

HisCAY

LysAARCGY

Arg

LeuCTR

LysAARCGR

Arg

MetATG

LysAAGAGG

Arg

Przemiana argininy w serynę

ArgAGR

ArgCGY

MetATG

SerAGY

ArgAGG

LeuCTR

SerAGY

ArgCGR

HisCAY

SerAGY

ArgCGY

Przemiana argininy w glutaminę

LysAAG

ArgCGG

HisCAY

ArgCGR

MetATG

GlnCAG

ArgAGG

LeuCTR

GlnCAR

ArgCGR

HisCAY

GlnCAR

ArgCGY

Prawdopodobieństwo zamiany jednego aminokwasu przez drugi istotnie zależy od tego jakie aminokwasy zajmowały

tę pozycję w przeszłości.

W związku z tym istnieje wysokie ryzyko, że powszechnie stosowane algorytmy oparte na MDM (mutation data matrix)

dostarczają błędnych interpretacji wyników.

zatem...

H

H

–

–

Y

Y

E

E

D

D

K

K

N

N

R

R

–

W

C

C

G

G

G

G

R

S

S

P

P

P

P

S

S

S

S

A

A

A

A

T

T

T

T

L

L

L

L

L

L

F

F

V

V

V

V

I

I

I

AGCU 1

3 2

Relacje genetyczne między Arg a Met i Gln

M

R

R

Q

R

Q

Inhibitory z roślin dyniow atych Inhibitory typu B ow m ana-B irk D om eny ow om ukoidu (typ K azala )

1. R VM IG * 2 . R VM IG S * 3 . C 4. P 5. R KL 6. I 7 . [LW ][Y ] 8 . M N K 9. R EKQ P # 10. C 11. KSQ T 12. [KSR H Q TY][V ] # 13. D N 14. R SD A 15. D 16. C 17. LFM P 18. ALTPG R 19. D EG Q K 20. C 21. V ITKR 22. C 23. LKG Q M V 24. PKEQ R SA # 25. N H EQ D S – 26. [I][D ]– 27. G E 28. YFIH 29. C 30. G

47. C 48. C 49. D R BSN 50. Q H ELZR SIFTK # 51. C 52. ASTKEM ILR D VPF * 53. C 54. T 55. [KR ][A ] 56. S 57. N M IEKR D Q *# 58. P 59. P 60. Q KZETI 61. C 62. [R H Q S][V ] # 63. C 64. STN VAEH R 65. D ZBN 66. M ILVTR * 67. R 68. L 69. N D E 70. SKTR 71. C 72. H 73. S 74. A 75. C 76. KSD EN 77. SLG R TFH 78. C

79. IAVLM 80. C 81. ATN R 82. LYFR K 83. S 84. Y IEFM Q D N 85. P 86. AG P 87. Q KZM 88. C 89. FVR IH SQ # 90. C 91. VTBG LAYF 92. D B 93. [IM TV][Q ] 94. TN BKAH D 95. D BN KT 96. FSY 97. C 98. [YH ][T ] 99. EAKPD 100. PSAK 101. C

1. V ILE 2. N D H 3. C 4. [STR ][D ] 5 . LPKQ E 6. YF 7. ALPKQ 8. SQ TK 9. G TR S– 10. IVKN T 11. G VSTL 12. KR TQ – # 13. D G N – 14. G – 15. TN R KE – 16. STLAQ P 17. W M LIV– 18. VT I 19. [A ][R ]– 20. C 21. PT 22. [R M ][F ] * 23. [N I][E ] 24. [L ][Y ] 25. KSLQ D V 26. [P ][E ] 27. [V ][H ] 28. C 29. G A 30. TS 31. D N 32. G S 33. SFV

34. T 35. Y 36. SD A 37. N S 38. [ED ][R ] 39. C 40. G STF 41. ILF 42. C 43. [L ][A ][N ] 44. [YH ][A ] 45. N Y 46. R AILV 47. EQ 48. H Q LS 49. G H R N 50. ATR 51. [N H ST ][E ] 52. V IL 53. ESKAG N 54. [K ][L ] 55. ELKSR V 56. [YH S][K ] 57. [D N ][M ] 58. G A 59. EKR A 60. C 61. R KE 62. PLQ E 63. KER D 64. [ISV ][H ] 65. [VG ][PT ] 66. [M EK][PS ]

Substytucje Arg-Met i Arg-Gln. Dwa „rodzaje” arginin

H

H

–

–

Y

Y

D

D

N

N

R

R

–

W

C

C

G

G

G

G

S

S

P

P

P

P

S

S

S

S

A

A

A

A

T

T

T

T

L

L

L

L

L

L

F

F

V

V

V

V

I

M

I

I

AGCU 1

3 2

Relacje genetyczne Arg, Lys, Glu i Gln

R

R R

R

K

K E Q

E Q

Inhibitory z roślin dyniowatych Inhibitory typu Bowmana-Birk Domeny owomukoidu (typ Kazala)

1. RVMIG 2. RVMIGS 3. C 4. P 5. RKL 6. I 7. [LW][Y] 8. MNK 9. REKQP 10. C 11. KSQT 12. [KSRHQTY][V] 13. DN 14. RSDA 15. D 16. C 17. LFMP 18. ALTPGR 19. DEGQK 20. C 21. VITKR 22. C 23. LKGQMV 24. PKEQRSA 25. NHEQDS– 26. [I][D]– 27. GE 28. YFIH 29. C 30. G

47. C 48. C 49. DRBSN 50. QHELZRSIFTK 51. C 52. ASTKEMILRDVPF 53. C 54. T 55. [KR][A] 56. S 57. NMIEKRDQ 58. P 59. P 60. QKZETI 61. C 62. [RHQS][V] 63. C 64. STNVAEHR ! 65. DZBN 66. MILVTR 67. R 68. L 69. NDE 70. SKTR 71. C 72. H 73. S 74. A 75. C 76. KSDEN 77. SLGRTFH 78. C

79. IAVLM 80. C 81. ATNR 82. LYFRK 83. S 84. YIEFMQDN 85. P 86. AGP 87. QKZM 88. C 89. FVRIHSQ 90. C 91. VTBGLAYF 92. DB 93. [IMTV][Q] 94. TNBKAHD 95. DBNKT 96. FSY 97. C 98. [YH][T] 99. EAKPD 100. PSAK 101. C

1. VILE 2. NDH 3. C 4. [STR][D] 5. LPKQE 6. YF 7. ALPKQ 8. SQTK 9. GTRS– 10. IVKNT 11. GVSTL 12. KRTQ– 13. DGN– 14. G– 15. TNRKE– 16. STLAQP 17. WMLIV– 18. VTI 19. [A][R]– 20. C 21. PT 22. [RM][F] 23. [NI][E] 24. [L][Y] 25. KSLQDV 26. [P][E] 27. [V][H] 28. C 29. GA 30. TS 31. DN 32. GS 33. SFV

34. T 35. Y 36. SDA 37. NS 38. [ED][R] ! 39. C 40. GSTF 41. ILF 42. C 43. [L][A][N] 44. [YH][A] 45. NY 46. RAILV 47. EQ 48. HQLS 49. GHRN 50. ATR 51. [NHST][E] 52. VIL 53. ESKAGN 54. [K][L] 55. ELKSRV 56. [YHS][K] 57. [DN][M] 58. GA 59. EKRA 60. C 61. RKE 62. PLQE 63. KERD 64. [ISV][H] 65. [VG][PT] 66. [MEK][PS]

Substytucje Arg-Glu oraz Lys-Glu (wymiana Arg/Lys/Gln/Glu)

Jaka część kodonu zawiera informację o aminokwasie występującym w danej pozycji w przeszłości?

Maksymalnie 2/3 kodonu.

AlaGCG

ValGUG

Jak długo przechowywana jest informacja pochodząca z kodonów aminokwasów prekursorowych?

Teoretycznie może też być zachowana dowolnie długo

Najszybciej zanika po 3 tranzycjach/transwersjach

AlaGCG

ValGUG

MetAUG

IleAUA

SerUCC

SerUCU

ThrACU

SerAGU

LysAAA

AsnAAC

AspGAC

HisCAC

GlnCAG

GluGAG

AspGAU

HisCAU

AsnAAU

LysAAG

GlnCAG

HisCAC

TyrUAU . . .

Wnioski

Analiza semihomologii genetycznej wyklucza zasadność stosowania modelu Markowa do badania zmienności

białek na poziomie aminokwasowym.

Kodony aminokwasów zawierają informację o aminokwasach występujących w przeszłości w danej

pozycji, z których powstał bieżący aminokwas.

Odnosi się to przede wszystkim do pozycji podlegających mutacjom punktowym jako

podstawowemu mechanizmowi zmienności ewolucyjnej.