Comparative analysis of evolutionary conservatism of some proteins of the human proteome and coelacanth


Cite item

Abstract

One of the main methods for studying molecular evolution is multiple alignment of protein and nucleic acid sequences with subsequent construction of a philodendrogram. Such an in silico analysis reflects the qualitative changes in biopolymers, their dynamics and evolutionary patterns; in a number of cases, it seems possible to identify a common ancestor. At the same time, the evolutionary process is characterized by the conservatism of structures that are critical for the implementation of key biological acts. However, the issues of conservatism of biological macromolecules are complex and controversial. One of the main difficulties associated with this category is which of the considered structures should be considered conservative, and how much its monomeric composition should maintain molecular authenticity during evolution. According to one of the opinions, a protein molecule that is 29% similar to its ortholog can be considered conservative. From this point of view, of particular interest is how conservative are the abstractly taken proteins of the human proteome and their orthologues in a much more ancient organism. One suitable candidate for such a phylogenetic analysis is the unique ancient fish Latimeria chalumnae. Goal. Comparative analysis of evolutionary conservatism of amino acid sequences of polypeptide chains of some proteome structures of humans and living fossil fish Latimeria chalumnae. Methods. All peer-reviewed amino acid sequences of coelacanth proteome proteins (n ​​= 18) and their human orthologs were taken from the UniProt database, including proteins involved in the functioning of the redox chain, carriers of reducing equivalents; α and β-chains of hemoglobin; components of ATP synthase and others. Each sequence and its ortholog were aligned in pairs using the EMBOSS Needle software. Results. Subunit 1 of cytochrome C oxidase - 85.2%, subunit 3 of cytochrome C oxidase - 80.1%, triose phosphate isomerase - 71.4%, cytochrome b - 70.7%, chain 1 NADH-ubiquinone oxidoreductase - 65.3% subunit 2 cytochrome C oxidase - 64.5%, chain 4 of NADH-ubiquinone oxidoreductase - 62.7%, glycohydrolase of ADP-ribose - 60.9%, chain 5 of NADH-ubiquinone oxidoreductase - 58.7%, parvalbumin alpha - 56.8% , chain 3 NADH-ubiquinone oxidoreductase - 56%, subunit A of ATP synthase - 52.8%, α-hemoglobin chain - 50.3%, β-chain of hemoglobin - 47.6%, 4L chain of NADH-ubiquinone oxidoreductase - 46 , 9%, chain 2 of NADH-ubiquinone oxidoreductase - 46%, chain 6 of NADH-ubiquinone oxidoreductase - 35.9% and protein 8 of ATP synthase - 24.7%. Conclusion. The analyzed sequences were 18 proteins of the human proteome and their orthologues from living fossil fish Latimeria chalumnae. It was found that the most conservative structure of those considered is the subunit 1 of cytochrome C oxidase, while the least homology is characteristic of protein 8 of ATP synthase.

Full Text

Актуальность. Под консервативностью биологических макромолекул понимают высокую степень гомологии их мономерного состава, сохранившуюся в ходе эволюции. В то же время, с методической точки зрения, категория молекулярной консервативности находит довольно размытое численное выражение. Один из главных её вопросов состоит в том, какую степень гомологии должны иметь консервативные последовательности с учётом их длины и возраста. Согласно одной из точек зрения, консервативной можно считать такую молекулу белка, которая не менее чем на 29% схожа со своим ортологом [1]. В свете этих данных особенно интересным представляется сравнение идентичности аминокислотного состава некоторых абстрактно взятых структур протеома человека и их ортологов у существенно более древнего организма, так называемой, живой ископаемой рыбы латимерии. Latimeria chalumnae и Latimeria menadoensis, чьи эволюционные пути разошлись около 13 млн лет назад, – единственные ныне существующие представители отряда целакантообразных. До 1938 года считалось, что все её представители вымерли в позднем меловом периоде (≈80 млн лет назад) [2]. Существуют убедительные данные о том, что латимерии филогенетически близки к последнему общему предку рыб и тетрапод. Учитывая характерные морфологические особенности этих рыб, их часто называют живыми фоссилиями, которые практически не изменились с фенотипической точки зрения по сравнению с родственными представителями палеобиоты среднего девона [3]. Возможно, латимерии в той или иной степени являются носителями генетических реликтов древних целакантов, живших на заре тетраподизации биосферы, а также за некоторое время до этого события в эволюции видов. С другой стороны, существуют данные о том, что для латимерий не характерна эволюционная стагнация генома [4]. Как бы то ни было, компаративный анализ протеома этих древних рыб и человека поможет пролить свет на степень эволюционной консервативности некоторых белковых структур.  

 

Цель. Компаративный анализ эволюционной консервативности аминокислотных последовательностей полипептидных цепей некоторых структур (n=18) протеома человека и живой ископаемой рыбы Latimeria chalumnae. 

 

МЕТОДЫ. Из базы данных UniProt были взяты все рецензированные аминокислотные последовательности белков протеома латимерии (n=18) и их человеческие ортологи, среди которых белки, участвующие в функционировании редокс-цепи, переносчики восстановительных эквивалентов; α и β-цепи гемоглобина; компоненты АТФ-синтазы и другие. Каждая последовательность ортолога была попарно выравнена (pairwise sequence alignment) с помощью программного обеспечения EMBOSS Needle V.6.6.0, функционирующего на основе алгоритма Нидлмана-Вунша (Needleman-Wunsch algorithm) со следующими параметрами: Matrix: EBLOSUM62; Gap_penalty: 10.0; Extend_penalty: 0.5. Интерпретация консервативности взятых биополимеров осуществлялась на основании количества идентичных аминокислотных остатков в их полипептидных цепях, выраженное в процентах, %. В выводных данных это соответствует параметру „Identity”. Анализ производился без учёта параметра “Similarity”, который подразумевает суммацию к числу идентичных мономерных звеньев аминокислотных остатков, чей радикал схож по физико-химическим свойствам с радикалами ортолога. 

 

Результаты. Попарное выравнивание (pairwise sequence alignment) ортологов показало, что наибольшей эволюционной консервативностью (80,1%-85,2%) обладают следующие структуры: субъединица 1 цитохром C оксидазы – 85,2%, субъединица 3 цитохром C оксидазы – 80,1%,. Относительно высокая (60,9%-71,4%) гомология характерная для следующих белков: триозофосфатизомераза – 71,4%, цитохром b – 70,7%, цепь 1 НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 65,3% субъединица 2 цитохром C оксидазы – 64,5%, цепь 4 НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 62,7%, гликогидролаза АДФ-рибозы – 60,9%. Средняя степень гомологии (46%-58,7%) прослеживается среди следующих молекул: цепь 5 НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 58,7%, парвальбумин альфа – 56,8%, цепь 3 НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 56%, субьединица A АТФ-синтазы – 52,8%, α-цепь гемоглобина – 50,3%, β-цепь гемоглобина – 47,6%, цепь 4L НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 46,9%, цепь 2 НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 46%. Низкая степень гомологии отмечается у следующих белков: цепь 6 НАДН-убихинон оксидоредуктазы – 35,9% и белок 8 АТФ-синтазы – 24,7%.  

 

Обсуждение. Результаты исследования показали, что самыми консервативными структурами протеома человека среди анализуруемых являются субъединицы 1 и 3 цитохрома C, являющегося комплексом IV в цепи переноса электронов. Было установлено, что относительно высокой степенью гомологии обладают другие компоненты редокс-цепи, например, некоторые субъединицы НАДН-убихинон оксидоредуктазы (комплекс I ЦПЭ), субъединица 2 цитохром C оксидазы, а также фермент, участвующий в гликолитических процессах, – триозофосфатизомераза. Полученные данные могут свидетельствовать о критической роли указанных структур в генерации редокс-потенциалов, функционировании цепи переноса электронов в целом, а также окислительном фосфорилировании, что является материальной основой клеточного дыхания и генерации биологических эквивалентов энергии в виде рефосфорилирования аденозиндифосфорной кислоты. С другой стороны, некоторые из компонентов тех же комплексов демонстрируют среднюю или вовсе низкую степень молекулярной консервативности. Учитывая мнение о том, что консервативным биополимером является молекула, которая не менее чем на 29% схожа со своим более древним ортологом [1], все анализируемые структуры являются консервативными, за исключением белка 8 АТФ-синтазы.  

 

Заключение. В качестве анализируемых последовательностей были взяты 18 белков человеческого протеома и их ортологи у живой ископаемой рыбы Latimeria chalumnae. Выбор последовательностей биополимеров был сделан исходя из того, что лишь они входят в число рецензированных среди остальных присутствующих белков латимерии в базе данных UniProt. Рецензированные структуры гарантируют точность своих сиквенсов, будучи подтверждёнными данными литературных источников. Однако в рамках компаративого анализа эволюционной консервативности протеома, указанные последовательности являются случайными и подтверждают взаимосвязь между критической функциональной ролью молекулы и её консервативностью в ходе эволюционного процесса. Так, субъединица 1 цитохром C оксидазы человека и латимерии схожи на 85,2%. С учётом того, что возраст одних из самых ранних известных остатков тетрапод оценивается в 372 млн лет [4], аминокислотный состав субъединицы 1 цитохром C оксидазы человека и латимерии сохраняет 85,2%-гомологию как минимум на протяжении 2 геохронологических эр, – кайнозойской и мезозойской, а также пермского, каменноугольного и частично девонского периодов палеозоя. В то же время белок 8, один из компонентов АТФ-синтазы, использующей градиент протонов водорода для фосфорилирования АДФ до АТФ, оказался единственной неконсервативной структурой из числа проанализированных. Возможное объяснение этого факта может состоять в том, что белок 8 является дополнительным стабилизирующем фактором фосфорилирующего комплекса и не имеет существенного функционального значения. Таким образом, компаративный анализ аминокислотных последовательностей полипептидных цепей некоторых структур протеома человека и их ортологов среди более древних организмов позволяет пролить свет на степень молекулярной консервативности биологических макромолекул в эволюции видов.  

×

About the authors

Pavel Y. Andreev

Voronezh Medical University N. N. Burdenko

Author for correspondence.
Email: pawelandrejew@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4123-9347
SPIN-code: 1222-2565
Russian Federation, 394036, Russia, Voronezh, st. Student, 10

Irina S. Ilina

Voronezh Medical University N. N. Burdenko

Email: missirinailina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0654-3631
SPIN-code: 6819-3788
Russian Federation, 394036, Russia, Voronezh, st. Student, 10

References

  1. Borsini F. Pharmacology of 5-HT6 receptors—Part 1. Preface. Int. Rev. Neurobiol. 2010 doi: 10.1016/B978-0-12-384976-2.00013-7.
  2. Kadarusman, Sugeha HY, Pouyaud L, et al. A thirteen-million-year divergence between two lineages of Indonesian coelacanths. Sci Rep. 2020;10(1):192. Published 2020 Jan 13. doi: 10.1038/s41598-019-57042-1
  3. Lampert KP, et al. Population divergence in East African coelacanths. Curr. Biol. 2012;22:R439–R440. doi: 10.1016/j.cub.2012.04.053.
  4. Casane, D. and Laurenti, P. (2013), Why coelacanths are not ‘living fossils’. Bioessays, 35: 332-338. doi: 10.1002/bies.201200145
  5. Beznosov, P.A., Clack, J.A., Lukševičs, E. et al. Morphology of the earliest reconstructable tetrapod Parmastega aelidae. Nature 574, 527–531 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1636-y

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies