عائلة البروتينات الفائقة

تُعرَّف العائلة الفائقة للبروتينات بأنها أكبر مجموعة ( سلالة ) من البروتينات التي يُمكن استنتاج أصل مشترك لها (انظر التماثل ). عادةً ما يُستدل على هذا الأصل المشترك من خلال المحاذاة البنيوية ^{[ 1 ]} والتشابه الآلي، حتى في حال عدم وجود تشابه واضح في التسلسل. ^{[ 2 ]} ويمكن استنتاج تماثل التسلسل حتى لو لم يكن ظاهرًا (بسبب انخفاض تشابه التسلسل). تحتوي العائلات الفائقة عادةً على عدة عائلات بروتينية تُظهر تشابهًا في التسلسل داخل كل عائلة. يُستخدم مصطلح " عشيرة البروتين" بشكل شائع للإشارة إلى العائلات الفائقة للبروتيازات والهيدرولازات الغليكوزيلية، وذلك استنادًا إلى نظامي تصنيف MEROPS و CAZy . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

يشير مصطلح "طيّ البروتين" إلى مفهوم مشابه قائم على المقارنة البنيوية. في بعض المخططات، مثل SCOP و CATH، يُعامل كمستوى أعلى من العائلة الفائقة (مع أن الأصل المشترك على مستوى الطيّ ليس مدعومًا بقوة كما هو الحال على مستوى العائلة الفائقة)، بينما تُعاملهما مخططات أخرى كمترادفين. المستوى الذي يلي الطيّ هو " فئة الطيّ" ، والتي تصف بنية تقريبية للبروتين (مثل: ألفا بالكامل، بيتا بالكامل، ألفا + بيتا، ألفا/بيتا). ^{[ 4 ]}

أعلاه، يوضح الشكل الحفاظ على البنية الثانوية لـ 80 عضوًا من عائلة بروتياز PA (العائلة الفائقة). يشير الحرف H إلى الحلزون ألفا ، والحرف E إلى الصفيحة بيتا ، والحرف L إلى الحلقة. في الأسفل، يوضح الشكل الحفاظ على التسلسل لنفس المحاذاة. تشير الأسهم إلى بقايا الثالوث التحفيزي . تمت المحاذاة بناءً على البنية باستخدام برنامج DALI.

تُحدد العائلات الفائقة للبروتينات باستخدام عدد من الطرق. ويمكن تحديد الأعضاء المتقاربة وراثيًا بطرق مختلفة عن تلك اللازمة لتجميع الأعضاء الأكثر تباينًا من الناحية التطورية.

تشابه التسلسل

تاريخيًا، كان تشابه تسلسلات الأحماض الأمينية المختلفة الطريقة الأكثر شيوعًا لاستنتاج التماثل . ^{[ 6 ]} يُعتبر تشابه التسلسل مؤشرًا جيدًا على القرابة، لأن التسلسلات المتشابهة غالبًا ما تكون ناتجة عن تضاعف الجينات والتطور المتباين ، وليس عن التطور التقاربي . عادةً ما يكون تسلسل الأحماض الأمينية أكثر حفظًا من تسلسل الحمض النووي (بسبب الشفرة الوراثية المتغيرة )، لذا فهو طريقة كشف أكثر حساسية. نظرًا لأن بعض الأحماض الأمينية لها خصائص متشابهة (مثل الشحنة، وكراهية الماء، والحجم)، فإن الطفرات المحافظة التي تُبدّلها غالبًا ما تكون محايدة للوظيفة. غالبًا ما تتوافق مناطق التسلسل الأكثر حفظًا في البروتين مع مناطق مهمة وظيفيًا مثل المواقع التحفيزية ومواقع الارتباط، لأن هذه المناطق أقل تحملاً لتغيرات التسلسل.

يُعاني استخدام تشابه التسلسل لاستنتاج التماثل من عدة قيود. فلا يوجد حد أدنى لمستوى تشابه التسلسل يضمن إنتاج بنى متطابقة. فعلى مدى فترات طويلة من التطور، قد لا تُظهر البروتينات ذات الصلة أي تشابه تسلسلي ملحوظ فيما بينها. كما أن التسلسلات التي تحتوي على العديد من الإضافات والحذوفات قد يصعب أحيانًا محاذاتها ، وبالتالي تحديد مناطق التسلسل المتماثلة. ففي عائلة البروتيازات PA ، على سبيل المثال، لا يوجد أي حمض أميني محفوظ عبر العائلة الفائقة، ولا حتى تلك الموجودة في الثالوث التحفيزي . في المقابل، تُعرَّف العائلات الفردية التي تُشكِّل عائلة فائقة على أساس محاذاة تسلسلها، على سبيل المثال عائلة البروتياز C04 ضمن عائلة PA.

مع ذلك، يُعدّ تشابه التسلسل الشكل الأكثر شيوعًا للأدلة المستخدمة لاستنتاج القرابة، نظرًا لأن عدد التسلسلات المعروفة يفوق بكثير عدد البنى الثلاثية المعروفة . ^{[ 7 ]} في غياب المعلومات البنيوية، يُقيّد تشابه التسلسل نطاق البروتينات التي يمكن تصنيفها ضمن عائلة فائقة. ^{[ 7 ]}

التشابه الهيكلي

تُحفظ البنية تطوريًا بشكل أكبر بكثير من التسلسل، بحيث يمكن أن تمتلك البروتينات ذات البنى المتشابهة للغاية تسلسلات مختلفة تمامًا. ^{[ 8 ]} على مدى فترات زمنية تطورية طويلة جدًا، تُظهر بقايا قليلة جدًا حفظًا ملحوظًا لتسلسل الأحماض الأمينية، ومع ذلك، فإن العناصر البنيوية الثانوية والزخارف البنيوية الثالثية محفوظة بشكل كبير. قد تُحفظ أيضًا بعض ديناميكيات البروتين ^{[ 9 ]} والتغيرات التكوينية لبنية البروتين، كما هو الحال في عائلة سيربين الفائقة . ^{[ 10 ]} وبالتالي، يمكن استخدام البنية الثالثية للبروتين للكشف عن التشابه بين البروتينات حتى عندما لا يتبقى أي دليل على وجود صلة قرابة في تسلسلاتها. تستخدم برامج محاذاة البنية ، مثل DALI ، البنية ثلاثية الأبعاد لبروتين معين للعثور على بروتينات ذات طيات متشابهة. ^{[ 11 ]} ومع ذلك، في حالات نادرة، قد تتطور البروتينات ذات الصلة لتصبح مختلفة بنيويًا ^{[ 12 ]} ولا يمكن استنتاج صلة القرابة إلا من خلال طرق أخرى. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

تمثل عائلات البروتينات الفائقة حدود قدرتنا الحالية على تحديد الأصل المشترك. ^{[ 23 ]} وهي أكبر مجموعة تطورية تستند إلى أدلة مباشرة متاحة حاليًا. ولذلك ، فهي من بين أقدم الأحداث التطورية التي تُدرس حاليًا. تضم بعض العائلات الفائقة أعضاءً في جميع ممالك الحياة ، مما يشير إلى أن السلف المشترك الأخير لتلك العائلة الفائقة كان ضمن السلف المشترك العالمي الأخير لجميع أشكال الحياة (LUCA). ^{[ 24 ]}

قد تنتمي أفراد العائلة الفائقة إلى أنواع مختلفة، حيث يكون البروتين السلفي هو شكل البروتين الذي كان موجودًا في النوع السلفي ( التشابه الجيني ). وعلى العكس من ذلك، قد تنتمي البروتينات إلى النوع نفسه، ولكنها تطورت من بروتين واحد تضاعف جينه في الجينوم ( التشابه الجيني ).

عائلة إنزيمات هيدرولاز ألفا/بيتا الفائقة

تتشارك الأعضاء في صفيحة α/β، تحتوي على 8 خيوط متصلة بواسطة حلزونات ، مع بقايا ثلاثية محفزة بنفس الترتيب، ^{[ 25 ]} وتشمل الأنشطة البروتيازات ، والليبازات ، والبيروكسيدازات ، والإسترازات ، وهيدرولازات الإيبوكسيد، ودي هالوجينازات . ^{[ 26 ]}

عائلة الفوسفاتاز القلوي الفائقة

تشترك الأعضاء في بنية شطيرة αβα ^{[ 27 ]} بالإضافة إلى قيامها بتفاعلات عشوائية مشتركة من خلال آلية مشتركة. ^{[ 28 ]}

عائلة بروتينات الغلوبين الفائقة

يشترك الأعضاء في طية غلوبين كروية مكونة من 8 حلزونات ألفا . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

عائلة الغلوبولين المناعي الفائقة

تشترك هذه البروتينات في بنية تشبه الساندويتش تتكون من طبقتين من خيوط بيتا متوازية عكسيًا ( طية Ig )، وتشارك في التعرف والارتباط والالتصاق . ^{[ 31 ] [ 32 ]}

عائلة LYRM الفائقة

تتشارك هذه البروتينات في وحدة LYR محفوظة ( ليوسين - تيروسين - أرجينين ) ضمن بنية ثلاثية الحلزونات ألفا ، وتعمل كبروتينات محولة ضرورية لتجميع عناقيد الحديد والكبريت في الميتوكوندريا وتجميع معقد الفسفرة التأكسدية . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

عشيرة بنسلفانيا

تتشابه هذه المجموعة من البروتينات في بنيتها، حيث تمتلك طية مزدوجة تشبه طية الكيموتريبسين ، وآليات تحلل بروتيني متشابهة ، لكن تطابق تسلسلها لا يتجاوز 10%. وتضم هذه المجموعة بروتيازات السيستين والسيرين ( نيوكليوفيلات مختلفة ). ^{[ 2 ] [ 35 ]}

عائلة راس الخارقة

تشترك الأعضاء في نطاق G تحفيزي مشترك من صفيحة بيتا مكونة من 6 خيوط محاطة بـ 5 حلزونات ألفا. ^{[ 36 ]}

عائلة RSH الفائقة

يتشارك الأعضاء القدرة على تحليل و/أو تركيب ppGpp alarmones في الاستجابة الصارمة . ^{[ 37 ]}

عائلة سيربين الخارقة

تشترك الأعضاء في بنية طي عالية الطاقة ومجهدة يمكن أن تخضع لتغيير شكلي كبير ، وهو ما يستخدم عادة لتثبيط بروتيازات السيرين والسيستين عن طريق تعطيل بنيتها. ^{[ 10 ]}

عائلة براميل TIM الفائقة

تشترك أفراد هذه العائلة الفائقة في بنية برميلية كبيرة من نوع α ₈ β _8. وهي إحدى أكثر طيات البروتينات شيوعًا ، ولا يزال أصل هذه العائلة الفائقة محل جدل. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

توثق العديد من قواعد البيانات البيولوجية عائلات البروتينات الفائقة وطيات البروتينات، على سبيل المثال:

• Pfam - قاعدة بيانات لعائلات البروتينات تتضمن عمليات المحاذاة ونماذج ماركوف المخفية
• بروسايت - قاعدة بيانات لنطاقات البروتين وعائلاتها ومواقعها الوظيفية
• نظام تصنيف العائلات الكبرى PIRSF
• PASS2 - محاذاة البروتينات كعائلات فائقة هيكلية الإصدار 2
• العائلة الفائقة - مكتبة نماذج ماركوف المخفية التي تمثل العائلات الفائقة وقاعدة بيانات لتعليقات (العائلة الفائقة والعائلة) لجميع الكائنات الحية التي تم تسلسلها بالكامل
• SCOP و CATH - تصنيفات هياكل البروتينات إلى عائلات فائقة، وعائلات، ومجالات

وبالمثل، توجد خوارزميات تبحث في قاعدة بيانات البروتينات (PDB) عن البروتينات ذات التشابه الهيكلي مع بنية مستهدفة، على سبيل المثال:

• دالي - محاذاة هيكلية تعتمد على طريقة مصفوفة محاذاة المسافة

• الوسائط المتعلقة بعائلات البروتينات الفائقة على ويكيميديا ​​كومنز