عائلة بروتينية

العائلة البروتينية الفائقة هي أكبر مجموعة ( فصيلة ) من البروتينات التي يمكن استنتاج أصلها المشترك (انظر التشابه ). وعادةً ما يتم استنتاج هذا الأصل المشترك من المحاذاة البنيوية ^[1] والتشابه الميكانيكي، حتى لو لم يكن هناك تشابه واضح في التسلسل. ^[2] ومن ثم يمكن استنتاج تشابه التسلسل حتى لو لم يكن واضحًا (بسبب انخفاض تشابه التسلسل). تحتوي العائلات الفائقة عادةً على العديد من عائلات البروتين التي تُظهر تشابهًا في التسلسل داخل كل عائلة. يُستخدم مصطلح عشيرة البروتين عادةً للعائلات الفائقة للبروتياز والجليكوزيل هيدرولاز بناءً على أنظمة تصنيف MEROPS و CAZy . ^{[2] [3]}

يتم التعرف على العائلات العليا من البروتينات باستخدام عدد من الطرق. ويمكن التعرف على الأعضاء ذات الصلة الوثيقة من خلال طرق مختلفة عن تلك اللازمة لتجميع الأعضاء الأكثر تباعدًا من الناحية التطورية.

تاريخيًا، كان تشابه تسلسلات الأحماض الأمينية المختلفة هو الطريقة الأكثر شيوعًا لاستنتاج التشابه . ^[5] يُعتبر تشابه التسلسل مؤشرًا جيدًا للارتباط، نظرًا لأن التسلسلات المتشابهة من المرجح أن تكون نتيجة لتكرار الجينات والتطور المتباعد ، وليس نتيجة للتطور المتقارب . عادةً ما يكون تسلسل الأحماض الأمينية أكثر تحفظًا من تسلسل الحمض النووي (بسبب الشفرة الوراثية المتدهورة )، لذا فهو طريقة كشف أكثر حساسية. نظرًا لأن بعض الأحماض الأمينية لها خصائص متشابهة (مثل الشحنة وكراهية الماء والحجم)، فإن الطفرات المحافظة التي تتبادلها غالبًا ما تكون محايدة للعمل. غالبًا ما تتوافق مناطق التسلسل الأكثر تحفظًا في البروتين مع مناطق مهمة وظيفيًا مثل المواقع التحفيزية ومواقع الارتباط، نظرًا لأن هذه المناطق أقل تحملاً لتغيرات التسلسل.

إن استخدام تشابه التسلسل لاستنتاج التماثل له عدة قيود. فلا يوجد حد أدنى لتشابه التسلسل مضمون لإنتاج هياكل متطابقة. وعلى مدى فترات طويلة من التطور، قد لا تظهر البروتينات ذات الصلة أي تشابه تسلسل يمكن اكتشافه مع بعضها البعض. كما يمكن أن يكون من الصعب أحيانًا محاذاة التسلسلات التي تحتوي على العديد من الإدخالات والحذف وبالتالي تحديد مناطق التسلسل المتجانسة. ففي عشيرة PA من البروتيازات ، على سبيل المثال، لا يتم الحفاظ على بقايا واحدة من خلال العائلة العليا، ولا حتى تلك الموجودة في الثالوث التحفيزي . وعلى العكس من ذلك، يتم تعريف العائلات الفردية التي تشكل عائلة عليا على أساس محاذاة تسلسلها، على سبيل المثال عائلة البروتياز C04 داخل عشيرة PA.

ومع ذلك، فإن تشابه التسلسل هو الشكل الأكثر استخدامًا من الأدلة لاستنتاج الصلة، حيث أن عدد التسلسلات المعروفة يفوق عدد الهياكل الثلاثية المعروفة بشكل كبير . ^[6] وفي غياب المعلومات البنيوية، فإن تشابه التسلسل يقيد الحدود التي يمكن من خلالها تعيين البروتينات لعائلة عظمى. ^[6]

البنية أكثر حفظًا من الناحية التطورية من التسلسل، بحيث يمكن للبروتينات ذات البنى المتشابهة للغاية أن يكون لها تسلسلات مختلفة تمامًا. ^[7] على مدى فترات زمنية تطورية طويلة جدًا، تظهر بقايا قليلة جدًا الحفاظ على تسلسل الأحماض الأمينية القابل للكشف عنه، ومع ذلك فإن العناصر البنيوية الثانوية والزخارف البنيوية الثلاثية محفوظة بدرجة كبيرة. قد تكون بعض ديناميكيات البروتين ^[8] والتغيرات التكوينية لبنية البروتين محفوظة أيضًا، كما هو الحال في عائلة السربين . ^[9] وبالتالي، يمكن استخدام البنية الثلاثية للبروتين للكشف عن التشابه بين البروتينات حتى عندما لا يبقى أي دليل على القرابة في تسلسلاتها. تستخدم برامج المحاذاة البنيوية ، مثل DALI ، البنية ثلاثية الأبعاد لبروتين مهم للعثور على بروتينات ذات طيات مماثلة. ^[10] ومع ذلك، في حالات نادرة، قد تتطور البروتينات ذات الصلة لتصبح مختلفة بنيويًا ^[11] ولا يمكن استنتاج القرابة إلا من خلال طرق أخرى. ^{[12] [13] [14]}

إن الآلية التحفيزية للإنزيمات داخل عائلة عظمى محفوظة بشكل عام، على الرغم من أن خصوصية الركيزة قد تكون مختلفة بشكل كبير. ^[15] تميل البقايا التحفيزية أيضًا إلى الظهور بنفس الترتيب في تسلسل البروتين. ^[16] بالنسبة للعائلات داخل عشيرة PA من البروتيازات، على الرغم من التطور المتباين لبقايا الثالوث التحفيزي المستخدمة لإجراء التحفيز، فإن جميع الأعضاء يستخدمون آلية مماثلة لإجراء تحفيز تساهمي نووي على البروتينات أو الببتيدات أو الأحماض الأمينية. ^[17] ومع ذلك، فإن الآلية وحدها لا تكفي لاستنتاج القرابة. تطورت بعض الآليات التحفيزية بشكل متقارب عدة مرات بشكل مستقل، وبالتالي تشكل عائلات عظمى منفصلة، ^{​​[18] [19] [20]} وفي بعض العائلات العظمى تظهر مجموعة من الآليات المختلفة (على الرغم من أنها غالبًا ما تكون متشابهة كيميائيًا). ^{[15] [21]}

تمثل العائلات البروتينية الفائقة الحدود الحالية لقدرتنا على تحديد أصل مشترك. ^[22] وهي أكبر مجموعة تطورية تستند إلى أدلة مباشرة ممكنة حاليًا. وبالتالي فهي من بين أقدم الأحداث التطورية التي تمت دراستها حاليًا. تحتوي بعض العائلات الفائقة على أعضاء موجودين في جميع ممالك الحياة ، مما يشير إلى أن آخر سلف مشترك لتلك العائلة الفائقة كان في آخر سلف مشترك عالمي لجميع أشكال الحياة (LUCA). ^[23]

قد تكون أعضاء العائلة الفائقة في أنواع مختلفة، حيث يكون البروتين الأصلي هو شكل البروتين الذي كان موجودًا في الأنواع الأصلية ( علم التماثل ). وعلى العكس من ذلك، قد تكون البروتينات في نفس النوع، ولكنها تطورت من بروتين واحد تم تكرار جينه في الجينوم ( علم التماثل ).

تحتوي أغلب البروتينات على مجالات متعددة. فبين 66-80% من البروتينات حقيقية النواة تحتوي على مجالات متعددة بينما تحتوي حوالي 40-60% من البروتينات بدائية النواة على مجالات متعددة. ^[5] وبمرور الوقت، اختلطت العديد من العائلات الفائقة للمجالات معًا. في الواقع، من النادر جدًا العثور على "عائلات فائقة معزولة باستمرار". ^{[5] [1]} وعندما تتحد المجالات، فإن ترتيب المجال من الطرف الأميني إلى الطرف الكربوكسيلي ("هندسة المجال") يكون محفوظًا بشكل جيد عادةً. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدد مجموعات المجالات التي نراها في الطبيعة صغير مقارنة بعدد الاحتمالات، مما يشير إلى أن الانتقاء يعمل على جميع المجموعات. ^[5]

عائلة ألفا/بيتا هيدرولاز

تتشارك الأعضاء في ورقة α/β، تحتوي على 8 خيوط متصلة بواسطة حلزونات ، مع بقايا ثلاثية محفزة بنفس الترتيب، ^[24] تشمل الأنشطة البروتيازات والليبازات والبيروكسيدات والإسترازات وهيدروليزات الإيبوكسيد والديهالوجينات . ^[25]

عائلة الفوسفاتيز القلوية

تتشارك الأعضاء في بنية شطيرة αβα ^[26] بالإضافة إلى أداء تفاعلات عشوائية مشتركة من خلال آلية مشتركة. ^[27]

عائلة الغلوبين

تتشارك الأعضاء في طية غلوبين كروية حلزونية الشكل مكونة من 8 ألفا . ^{[28] [29]}

عائلة الغلوبولين المناعي

تتشارك الأعضاء في بنية تشبه الساندويتش تتكون من ورقتين من خيوط بيتا المتوازية ( Ig-fold )، وتشارك في التعرف والترابط والالتصاق . ^{[30] [31]}

عشيرة السلطة الفلسطينية

تشترك الأعضاء في طية برميل بيتا المزدوجة الشبيهة بالكيموتربسين وآليات التحلل البروتيني المماثلة ولكن هوية التسلسل <10٪. تحتوي العشيرة على كل من بروتينات السيستين والسرين ( نوكليوفيلات مختلفة ). ^{[2] [32]}

عائلة راس

تتقاسم الأعضاء مجال G تحفيزي مشترك لطبقة بيتا مكونة من 6 خيوط محاطة بخمسة حلزونات ألفا. ^[33]

العائلة العليا RSH

يتقاسم الأعضاء القدرة على تحليل و/أو تصنيع منبهات ppGpp في الاستجابة الصارمة . ^[34]

عائلة السربين

تتشارك الأعضاء في طية عالية الطاقة ومجهدة يمكن أن تخضع لتغيير تكويني كبير ، والذي يستخدم عادةً لتثبيط البروتيناز السيرين والسيستين عن طريق تعطيل بنيتها. ^[9]

عائلة براميل TIM

تشترك الأعضاء في بنية برميلية كبيرة α ₈ β _8. وهي واحدة من أكثر طيات البروتين شيوعًا ولا يزال التعدد الجيني لهذه العائلة الفرعية محل نزاع. ^{[35] [36]}

توثق العديد من قواعد البيانات البيولوجية العائلات البروتينية وطيات البروتين، على سبيل المثال:

• Pfam - قاعدة بيانات عائلات البروتين للمحاذاة و HMMs
• PROSITE - قاعدة بيانات المجالات البروتينية والعائلات والمواقع الوظيفية
• PIRSF - نظام تصنيف العائلات الفائقة
• PASS2 - محاذاة البروتين كعائلات هيكلية فائقة الإصدار 2
• SUPERFAMILY - مكتبة HMMs التي تمثل العائلات العليا وقاعدة بيانات لتعليقات (العائلة العليا والعائلة) لجميع الكائنات الحية المتسلسلة بالكامل
• SCOP و CATH - تصنيفات هياكل البروتين إلى عائلات وعائلات ومجالات

وبالمثل، هناك خوارزميات تبحث في قاعدة بيانات البروتينات عن البروتينات ذات التشابه البنيوي مع بنية الهدف، على سبيل المثال:

• DALI - المحاذاة الهيكلية بناءً على طريقة مصفوفة محاذاة المسافة

• الوسائط المتعلقة بالعائلات البروتينية الفائقة في ويكيميديا ​​كومنز