CC BY
9
УДК 577.212:004
КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ СХОДСТВА АССОЦИИРОВАННЫХ С МИКРОТРУБОЧКАМИ И КЛЕТОЧНЫМ ЦИКЛОМ СЕРИН-ТРЕОНИНОВЫХ ПРОТЕИНКИНАЗ ЧЕЛОВЕКА С ИХ РАСТИТЕЛЬНЫМИ ГОМОЛОГАМИ
П.А. Карпов1, Е.С. Надеждина2, А.И. Емец1, Я.Б. Блюм1
(1 ГУ Институт пищевой биотехнологии и геномики HAH Украины, г. Киев; 2Институт белка PAH, г. Москва; e-mail: [email protected])
Обнаружен 191 растительный гомолог протеинкиназ человека, принимающих участие в фосфорилировании белков микротрубочек и регуляции клеточного цикла. Методом объединения соседей (NJ) проведен анализ сходства протеинкиназ.
Ключевые слова: протеинкиназы, Viridiplantae, цитоскелет, филогения.
Микротрубочки являются обязательным компонентом цитоскелета всех эукариот и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз [1]. Ряд белков цитоскелета (тубулины, белки, ассоциированные с микротрубочками типа I и др.) животных и высших растений демонстрируют значительное сходство [2—4], что дает основание рассчитывать на существование общих сайтов фосфорилиро-вания и сходство связанных с ними протеинкиназ. Ранее нами были отобраны 68 серин-треониновых протеинкиназ человека, формирующих кином микротрубочек и участвующих в регуляции клеточного цикла, а также показана возможность существования растительных гомологов для 30 из них [5]. На основании гомологии каталитических доменов [6] было показано существование растительных гомологов протеинкиназ Aurora [7, 8], Ste20 [9] и MAST2 [10].
В связи с этим целью данной работы являлась идентификация растительных протеинкиназ, ассоциированных с микротрубочками, на основании сходства последовательностей их киназных доменов и 30 протеинкиназ человека [5].
Объекты и методы
Последовательности протеинкиназ Homo sapiens были взяты из базы данных Swiss-Prot (www.expa-sy.org). BLASTp-сканирование базы данных UniProt осуществлялось против последовательностей каталитических доменов протеинкиназ человека [11]. Отбор гомологов осуществлялся на основании процента идентичности последовательностей, процента сходства и значения E-value [12]. Границы каталитических доменов определяли с применением сетевого инструмента SMART (http://smart.embl-heidel-berg.de/). Множественные выравнивания аминокислотных последовательностей выполняли с помощью программы Clustal X (2.0.5) (http://www.clustal.org)
с применением матриц BLOSSUM. Кладистический анализ выполняли методом объединения соседей (NJ) в программе MEGA4 [13].
Результаты и обсуждение
Ранее на основании данных киномного проекта человека (http://kinase.com/human/kinome/) и литературных источников нами было отобрано 68 се-рин-треониновых протеинкиназ, участвующих в фосфорилировании белков микротрубочек и регулирующих клеточный цикл [5]. BLASTp-сканирование базы данных UniProt против последовательностей каталитических доменов показало наличие растительных (Viridiplantae) гомологов для 30 из отобранных протеинкиназ, принадлежащих к группам AGC (Aurora, AGC, MAST), GMGC (CDC2/CDKX, MAP,), CAMK (NIM1), STE (MAPKKK, STE20), а также к семействам BAB, казеинкиназ (СК2), CDC5 (Polo), TTK, TKL и NEK (NIMA).
Однако поиск последовательностей с применением алгоритмов BLAST и FASTA не всегда дает точное представление о функции протеинкиназ [12], что связано с высокой степенью гомологии каталитических доменов [14] как некоторых протеинки-наз человека, так и ряда найденных растительных гомологов. Более точно функция протеинкиназы может быть определена на основании результатов анализа консервативности мотивов активационной и каталитической петель [14], доменного состава, пространственной структуры и результатов молеку-лярно-генетического анализа [15, 14]. Применение кладистического анализа значительно сокращает число возможных вариантов, предупреждает спорные моменты и позволяет идентифицировать гомологи на уровне групп, подгрупп и семейств протеинки-наз [14]. Результаты NJ-кластеризации последовательностей 30 протеинкиназ человека и 191 обнаруженного растительного гомолога (рисунок) выяви-
NJ-дерево группы протеинкиназ человека (■) и 198 растительных гомологов (•). Обозначения: ARATH — Arabidopsis thaliana, CHLRE — Chlamydomonas reinhardtii, CRYNE — Cryptococcus neoformans var. neoformans, HUMAN — Homo sapiens, ORYSJ — Oryza sativa sp. japónica, OSTLU — Ostreococcus lucimarinus, OSTTA — Ostreococcus tauri, PHYPA — Physcomitrella patens sp. patens, PICAB — Picea abies, PICSI — Picea sitchensis, PINCO — Pinus contorta, RICCO — Ricinus communis, VITVI — Vitis vinifera
ли клады, соответствующие группе AGC (семейства Aurora, MAST, подгруппа NDR — семейства NDR и LATS), группам CAMK (подсемейство NIM1), казе-ин/циклинзависимых киназ, группе CMGC (семейства CDK, суперсемейства MAPK, подсемейства MAP киназ), казеинкиназам II (семейство CK2), гTTK/MPS1-подобным киназам (семейство TTK), про-теинкиназам контрольных точек митоза BUB1/BUBR1 (семейство BUB), группе STE (STE20-подобные ки-назы), семейству NEK (подсемейство NIMA) и группе TKL (семейства MLK, TKL, RIPK и LRRK2-M-добных киназ).
Выводы
Кластеризация методом дистанционно-матричного связывания ближайших соседей подтвердила существование у высших растений гомологов животных протеинкиназ групп AGC, CAMK, CMGC, SLK, TKL, казеинкиназ II, казеин/циклин-зависи-мых, BUB, TTK/MPS1-подобных и NEK киназ, принимающих участие в фосфорилировании белков микротрубочек и регуляции клеточного цикла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Amos L.A. Tubulin and microtubules // Nature Encyclopedia of Life Sciences. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd., 2005. P. 1-7. (URL: http://www.els.net/ 09.04.2010)
2. Nyporko A.Y, Demchuk O.N, Blume Ya.B. Cold adaptation of plant microtubules: structural interpretation of primary sequence changes in a highly conserved region of a-tu-bulin. Cell Biol. Int. 2003. Vol. 27. P. 241-243.
3. Karpov P.A., Blume Y.B. Bioinformatic search for plant homologues of animal structural MAPs in the Arabidopsis thaliana genome // The plant cytoskeleton: a key tool for agro-biotechnology / Ed. Ya.B. Blume, W.V. Baird, A.I. Yemets, D. Breviario. Dordrecht: Springer, 2008. P. 373—397.
4. Yemets A., Lloyd C., Blume Ya.B. Plant tubulin pho-sphorylation and its role in cell cycle progression // The plant cytoskeleton: a key tool for agro-biotechnology / Eds. Ya.B. Blume, W.V. Baird, A.I. Yemets, D. Breviario. Dordrecht: Springer, 2008. P. 145—159.
5. Karpov P.A., Nadezhdina E.S., Yemets A.I., Matu-sov V.G., Nyporko A.Yu., Shashina N.Yu, Blume Ya.B. Bioin-formatic search of plant microtubule- and cell cycle related serine-threonine protein kinases // Proc. of the Int. Moscow conference on computational molecular biology (MCCMB'09). July 20—23. Moscow, 2009. P. 145—147.
6. Scheeff E.D, Bourne P.E. Structural evolution of the protein kinase-like superfamily // PLoS Comput. Biol. 2005. Vol. 1. N 5. P. 49.
7. Карпов n.A, Надеждина E.C., Емец АИ, Мату-сов В.Г., Ныпорко А.Ю., Шашина Н.Ю., Блюм Я.Б. Биоинформационный поиск растительных протеинкиназ, участвующих в фосфорилировании белков микротрубочек и регуляции деления клеток // Цитол. и генет. 2009. Т. 43. № 3. С. 63—79.
8. Karpov P.A., Nadezhdina E.S., Yemets A.I., Matu-sov V.G., Nyporko A.Yu., Shashina N.Yu., Blume Ya.B. Bioinformatic search of plant microtubule- and cell cycle related serine-threonine protein kinases // BMC Genomics. 2010. Vol. 11. Suppl 1. P. 14.
9. Карпов П.А., Емец А.И., Матусов В.Г., Ныпорко А.Ю., Надеждина Е.С., Блюм Я.Б. Биоинформационный поиск растительных гомологов Ste20-подобных се-рин/треониновых протеинкиназ // Цитол. и генет. 2009. Т. 43. № 6. С. 68—77.
10. Карпов П.А., Емец А.И., Матусов В.Г., Ныпорко А.Ю., Надеждина Е.С., Шашина Н.Ю, Блюм Я.Б. Биоинформационный поиск растительных гомологов ассоциированной с микротрубочками протеинкиназы MAST2 // Тр. Никитского бот. сада. 2009. Т. 131. С. 181—187.
11. Korf I, Yandell M, Bedell J. BLAST. Sebastopol: O'Reilly & Associates, 2003. 368p.
12. Claverie J.-M., Notredame C. Bioinformatics for dummies. New York: Wiley Publ., 2007. 436 p.
13. Kumar S., Dudley J., Nei M., Tamura K. MEGA: A biologist-centric software for evolutionary analysis of DNA and protein sequences // Brief. in Bioinform. 2008. Vol. 9. P. 299—306.
14. Champion A., Kreis M., Mockaitis K., Picaud A., Henry Y. Arabidopsis kinome: after the casting // Funct. Integr. Genomics. 2004. Vol. 4. P. 163—187.
15. Hanks S.K., Quinn A.M. Protein kinase catalytic domain sequence database: identification of conserved features of primary structure and classification of family members // Methods Enzymol. 1991. Vol. 200. P. 38—62.
Поступила в редакцию 15.04.10
THE RESULTS OF CLASTERISATION OF HUMAN MICROTUBULE-AND CELL CYCLE RELATED SERINE-THREONINE PROTEIN KINASES AND THEIR PLANT HOMOLOGUES
P.A. Karpov, E.S. Nadezhdina, A.I. Yemets, Ya.B. Blume
191 plant homologues of human protein kinases phosphorylating microtubular proteins and regulating cell cycle have been identified. Similarity of plant protein kinases was analysed by neighbor joining clustering.
Key words: protein kinases, Viridiplantae, cytoskeleton, microtubules, phylogeny.
Сведения об авторах
Карпов Павел Андреевич — канд. биол. наук, ст. науч. сотр., зав. лабораторией биоинформатики и структурной биологии ГУ Институт пищевой биотехнологии и геномики НАН Украины, г. Киев, Украина. Тел./факс +38(044)5261467; e-mail: [email protected]
Надеждина Елена Сергеевна — докт. биол. наук, главный научный сотрудник, зав. группой клеточной биологии Института белка РАН, г. Пущино, Московская обл. Тел. +7 499 1359786, тел./факс +7 499 1352147; e-mail: [email protected]
Емец Алла Ивановна — канд. биол. наук, ст. науч. сотр., зав. лабораторией клеточной биологии и нанобиотехнологии ГУ Институт пищевой биотехнологии и геномики НАН Украины, г. Киев, Украина. Тел./факс +38(044)5261467; e-mail: [email protected]
Блюм Ярослав Борисович — акад. НАН Украины, директор института ГУ Институт пищевой биотехнологии и геномики НАН Украины, г. Киев, Украина. Тел.(044)434-3777, факс.: (044)434-4577; e-mail: [email protected]
