Пространство последовательностей (эволюция)
В эволюционной биологии пространство последовательностей — это способ представления всех возможных последовательностей (белка , гена или генома ) . [1] [2] Пространство последовательностей имеет одно измерение на аминокислоту или нуклеотид в последовательности, что приводит к многомерным пространствам . [3] [4]
Большинство последовательностей в пространстве последовательностей не несут никакой функции, оставляя относительно небольшие области, населенные встречающимися в природе генами. [5] Каждая белковая последовательность соседствует со всеми другими последовательностями, которые могут быть достигнуты посредством одной мутации . [6] Подсчитано, что все пространство функциональных белковых последовательностей исследовано жизнью на Земле. [7] Эволюцию путем естественного отбора можно представить как процесс отбора соседних последовательностей в пространстве последовательностей и перехода к любой из них, приспособленность которой лучше текущей.
Представительство
[ редактировать ]Пространство последовательности обычно представляет собой сетку. Для белков пространств последовательностей каждый остаток в белке представлен измерением с 20 возможными положениями вдоль этой оси, соответствующими возможным аминокислотам. [3] [4] Следовательно, существует 400 возможных дипептидов, расположенных в пространстве 20x20, но это число увеличивается до 10. 130 даже небольшой белок из 100 аминокислот расположен в пространстве со 100 измерениями. Хотя такую ошеломляющую многомерность невозможно визуализировать или представить схематически, она обеспечивает полезную абстрактную модель для размышлений о диапазоне белков и эволюции от одной последовательности к другой.
Эти многомерные пространства можно сжать до 2 или 3 измерений с помощью анализа главных компонент . Фитнес-ландшафт — это просто пространство последовательности с дополнительной вертикальной осью фитнеса, добавленной для каждой последовательности. [8]
Функциональные последовательности в пространстве последовательностей
[ редактировать ]Несмотря на разнообразие суперсемейств белков, пространство последовательностей крайне редко заселено функциональными белками. Большинство случайных белковых последовательностей не имеют складки или функции. [9] Таким образом, суперсемейства ферментов существуют как крошечные кластеры активных белков в огромном пустом пространстве нефункциональных последовательностей. [10] [11]
Плотность функциональных белков в пространстве последовательностей и близость различных функций друг к другу являются ключевыми факторами в понимании эволюционности . [12] Степень взаимопроникновения двух нейтральных сетей различных видов деятельности в пространстве последовательностей будет определять, насколько легко будет эволюционировать от одного вида деятельности к другому. Чем больше совпадений между различными видами деятельности в пространстве последовательностей, тем более загадочными вариации беспорядочной деятельности . будут [13]
Пространство белковых последовательностей сравнивают с Вавилонской библиотекой , теоретической библиотекой, содержащей все возможные книги длиной 410 страниц. [14] [15] В Вавилонской библиотеке найти какую-либо осмысленную книгу было невозможно из-за огромного количества и отсутствия порядка. То же самое можно было бы сказать и о белковых последовательностях, если бы не естественный отбор, который отбирал только те белковые последовательности, которые имеют смысл. Кроме того, каждая белковая последовательность окружена набором соседей (точечных мутантов), которые, вероятно, выполняют по крайней мере некоторую функцию.
С другой стороны, эффективный «алфавит» пространства последовательностей на самом деле может быть весьма небольшим, что снижает полезное количество аминокислот с 20 до гораздо меньшего числа. Например, в крайне упрощенном виде все аминокислоты можно разделить на два класса (гидрофобные/полярные) по гидрофобности , и при этом можно обнаружить множество общих структур. Ранняя жизнь на Земле могла иметь только четыре или пять типов аминокислот, с которыми можно было работать. [16] исследования показали, что функциональные белки могут быть созданы из белков дикого типа с помощью аналогичного процесса сокращения алфавита. [17] [18] Сокращенные алфавиты также полезны в биоинформатике , поскольку они обеспечивают простой способ анализа сходства белков. [19] [20]
Исследование посредством направленной эволюции и рационального проектирования.
[ редактировать ]
Основное внимание в области белковой инженерии уделяется созданию библиотек ДНК , которые отбирают области пространства последовательностей, часто с целью поиска мутантов белков с улучшенными функциями по сравнению с диким типом . Эти библиотеки создаются либо путем использования последовательности дикого типа в качестве матрицы и применения одного или нескольких методов мутагенеза для создания различных ее вариантов, либо путем создания белков с нуля с использованием синтеза искусственных генов . Эти библиотеки затем проверяются или отбираются , а библиотеки с улучшенными фенотипами используются для следующего раунда мутагенеза.
См. также
[ редактировать ]- Белок
- Пространство последовательности
- Направленная эволюция
- Белковая инженерия
- Многомерное пространство
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ДеПристо, Марк А.; Вайнрайх, Дэниел М.; Хартл, Дэниел Л. (2 августа 2005 г.). «Миссенс-извилины в пространстве последовательностей: биофизический взгляд на эволюцию белков». Обзоры природы Генетика . 6 (9): 678–687. дои : 10.1038/nrg1672 . ПМИД 16074985 . S2CID 13236893 .
- ^ Мейнард Смит, Джон (7 февраля 1970 г.). «Естественный отбор и концепция белкового пространства». Природа . 225 (5232): 563–564. Бибкод : 1970Natur.225..563M . дои : 10.1038/225563a0 . ПМИД 5411867 . S2CID 204994726 .
- ^ Jump up to: а б Борнберг-Бауэр, Э.; Чан, HS (14 сентября 1999 г.). «Моделирование эволюционных ландшафтов: мутационная стабильность, топология и суперворонки в пространстве последовательностей» . Труды Национальной академии наук . 96 (19): 10689–10694. Бибкод : 1999PNAS...9610689B . дои : 10.1073/pnas.96.19.10689 . ЧВК 17944 . PMID 10485887 .
- ^ Jump up to: а б Кордес, Миннесота; Дэвидсон, Арканзас; Зауэр, RT (февраль 1996 г.). «Пространство последовательностей, сворачивание и дизайн белков». Современное мнение в области структурной биологии . 6 (1): 3–10. дои : 10.1016/S0959-440X(96)80088-1 . ПМИД 8696970 .
- ^ Гермес, доктор медицинских наук; Блэклоу, Южная Каролина; Ноулз, младший (январь 1990 г.). «Поиск в пространстве последовательностей с помощью определенно случайного мутагенеза: улучшение каталитической активности фермента» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (2): 696–700. Бибкод : 1990PNAS...87..696H . дои : 10.1073/pnas.87.2.696 . ПМЦ 53332 . ПМИД 1967829 .
- ^ Ромеро, Филип А.; Арнольд, Фрэнсис Х. (декабрь 2009 г.). «Изучение ландшафта белковой пригодности путем направленной эволюции» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 10 (12): 866–876. дои : 10.1038/nrm2805 . ISSN 1471-0080 . ПМК 2997618 . ПМИД 19935669 .
- ^ Драйден, Дэвид Т.Ф.; Томсон, Эндрю Р.; Уайт, Джон Х. (2008). «Какая часть пространства белковых последовательностей исследована жизнью на Земле?» . Журнал интерфейса Королевского общества . 5 (25): 953–956. дои : 10.1098/rsif.2008.0085 . ПМК 2459213 . ПМИД 18426772 .
- ^ Ромеро, Пенсильвания; Арнольд, FH (декабрь 2009 г.). «Изучение ландшафта белковой пригодности путем направленной эволюции» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 10 (12): 866–76. дои : 10.1038/nrm2805 . ПМК 2997618 . ПМИД 19935669 .
- ^ Киф, AD; Шостак, JW (5 апреля 2001 г.). «Функциональные белки из библиотеки случайных последовательностей» . Природа . 410 (6829): 715–8. Бибкод : 2001Natur.410..715K . дои : 10.1038/35070613 . ПМЦ 4476321 . ПМИД 11287961 .
- ^ Стеммер, Виллем ПК (июнь 1995 г.). «Поиск в пространстве последовательностей». Био/Технологии . 13 (6): 549–553. дои : 10.1038/nbt0695-549 . S2CID 20117819 .
- ^ Борнберг-Бауэр, Э. (ноябрь 1997 г.). «Как модельные белковые структуры распределены в пространстве последовательностей?» . Биофизический журнал . 73 (5): 2393–403. Бибкод : 1997BpJ....73.2393B . дои : 10.1016/S0006-3495(97)78268-7 . ПМЦ 1181141 . ПМИД 9370433 .
- ^ Борнберг-Бауэр, Э; Хюилманс, АК; Сикосек, Т. (июнь 2010 г.). «Как возникают новые белки?». Современное мнение в области структурной биологии . 20 (3): 390–6. дои : 10.1016/j.sbi.2010.02.005 . ПМИД 20347587 .
- ^ Вагнер, Андреас (14 июля 2011 г.). Истоки эволюционных инноваций: теория преобразующих изменений в живых системах . Оксфорд [и др.]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199692590 .
- ^ Арнольд, Ф.Х. (2000). «Библиотека Мейнарда-Смита: мои поиски смысла во вселенной белков». Достижения в области химии белков . 55 : ix–xi. дои : 10.1016/s0065-3233(01)55000-7 . ПМИД 11050930 .
- ^ Остермайер, М. (март 2007 г.). «Помимо каталогизации Вавилонской библиотеки». Химия и биология . 14 (3): 237–8. doi : 10.1016/j.chembiol.2007.03.002 . ПМИД 17379136 .
- ^ Драйден, DT; Томсон, Арканзас; Уайт, Дж. Х. (6 августа 2008 г.). «Какая часть пространства белковых последовательностей исследована жизнью на Земле?» . Журнал Королевского общества, Интерфейс . 5 (25): 953–6. дои : 10.1098/rsif.2008.0085 . ПМК 2459213 . ПМИД 18426772 .
- ^ Аканума, С.; Кигава, Т.; Ёкояма, С. (2 октября 2002 г.). «Комбинаторный мутагенез для ограничения использования аминокислот в ферменте до сокращенного набора» . Труды Национальной академии наук . 99 (21): 13549–13553. Бибкод : 2002PNAS...9913549A . дои : 10.1073/pnas.222243999 . ПМК 129711 . ПМИД 12361984 .
- ^ Фудзисима, Косуке ; Ван, Кендрик М.; Палмер, Джесси А.; Абэ, Нозоми; Накахигаси, Кендзи; Энди, Дрю; Ротшильд, Линн Дж. (29 января 2018 г.). «Реконструкция биосинтеза цистеина с использованием сконструированных безцистеиновых ферментов» . Научные отчеты . 8 (1): 1776. Бибкод : 2018NatSR...8.1776F . дои : 10.1038/s41598-018-19920-y . ПМЦ 5788988 . ПМИД 29379050 .
- ^ Бакардит, Жауме; Стаут, Майкл; Херст, Джонатан Д.; Валенсия, Альфонсо; Смит, Роберт Э; Красногор, Наталио (6 января 2009 г.). «Автоматическое сокращение алфавита для наборов данных о белках» . БМК Биоинформатика . 10 (1): 6. дои : 10.1186/1471-2105-10-6 . ПМК 2646702 . ПМИД 19126227 .
- ^ Солис, Армандо Д. (30 июля 2019 г.). «Редуцированный алфавит пребиотических аминокислот оптимально кодирует конформационное пространство разнообразных существующих белковых складок» . Эволюционная биология BMC . 19 (1): 158. дои : 10.1186/s12862-019-1464-6 . ПМК 6668081 . ПМИД 31362700 .