Evoluce struktury proteinů vápníkových kanálů

Bc. Michaela Bayerlová

Master's thesis

Evolution of protein structure in calcium channels

Abstract:

Uvoľňovanie vápnika je mechanizmus nevyhnutný pre svalovú kontrakciu. Ryanodínové receptory (ryrs) sú proteíny vápnikových kanálov sarkoplazmatického retikula exprimované predovšetkým v kostrovom a srdcovom svalstve a v mozgu. V mojej práci som sa zamerala na evolučný vývoj týchto proteínov a na identifikáciu možných evolučne významných miest v ich sekvencii. Na zvýšenie systematického pokrytia som predikovala gény pre ryrs z neanotovaných sekvencií z WGS databáze. Vytvorila som viacnásobný alignment všetkých dostupných aminokyselinových sekvencií ryrs chordátov vrátane sekvencií predikovaných mojím postupom. Na základe viacnásobného alignmentu a vybraného substitučného modelu bol zrekonštruovaný fylogenetický strom metódou maximálnej vierohodnosti a Bayesovskou analýzou. Evolučne významné miesta boli zistené v Slow-fast analýze, ktorá rozpoznáva rýchlo vyvíjajúce sa dáta na základe odhadu miery substitúcií v alignmente, a v selekčnej analýze, ktorá je založená na metódach maximálnej vierohodnosti rozpoznávajúcich kodóny. Prítomnosť selekcie bola testovaná na základe pomeru odhadov mier nesynonymických a synonymických mutácií na jednotlivých pozíciách alignmentu. Napredikovala som 27 potenciálnych ryr sekvencií 13 rôznych druhov v rámci skupiny chordátov a presnosť týchto sekvencií som overila z evolučného hľadiska. Ďalej som identifikovala evolučne významné miesta v ryr proteínoch a zistila štatisticky významný vplyv pozitívnej selekcie na ryr proteíny. Intenzívny selekčný tlak na N-terminálnu oblasť, C-terminálnu oblasť a D1, D2 a D3 regióny naznačuje ich dôležitú úlohu pri divergentných procesoch v evolúcii ryr proteínov.

Abstract:

The mechanism of calcium release is essential in muscle contraction. Ryanodine receptors (ryrs) are calcium release channel proteins of the sarcoplasmic reticulum expressed mainly in skeletal and cardiac muscles and in brain. I focused on evolution of these proteins and on identification of possible evolutionary hot-spots in the sequence. To increase the systematic coverage, I predicted the genes for ryrs from the non-annotated sequences of the WGS database. All available amino acid sequences of ryrs of chordates including sequences predicted by my design were aligned. On the basis of multiple sequence alignment and selected substitution model, phylogenetic tree was reconstructed using maximum likelihood method and Bayesian inference. Evolutionary hot-spots were identified in Slow-fast analysis which detects fast evolving data by estimating substitution rates in the alignment and in selection analysis using codon-based maximum likelihood methods. Presence of selection was tested by estimating rate ratio of nonsynonymous to synonymous mutations on the individual sites. I predicted 27 putative ryr sequences of 13 distinct species within chordates group and accuracy of predicted sequences was verified from the evolutionary point of view. Furthermore, I identified evolutionary hot-spots in ryr protein and detected statistically significant impact of positive selection on ryr proteins. Intensive selection pressure on the N-terminal region, C-terminal region and D1, D2 and D3 regions indicates their important role in the divergence processes in the evolution of ryr proteins.

Keywords

BLAST, predikcia génu, fylogenetická analýza, ryanodínový receptor, selekčná analýza, gene prediction, phylogenetic analysis, ryanodine receptor, selection analysis

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2011
• Supervisor: Mgr. Natália Martínková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biology / Mathematical Biology