Superfamili protein adalah kelompok terbesar (klad) protein yang dapat disimpulkan memiliki nenek moyang bersama (lihat homologi). Biasanya, asal-usul bersama ini disimpulkan dari penyelarasan struktural^[1] dan kesamaan mekanistik, meskipun tidak ada kesamaan urutan yang jelas.^[2] Homologi urutan dapat disimpulkan meskipun tidak terlihat (karena kesamaan urutan yang rendah). Superfamili biasanya mengandung beberapa famili protein yang menunjukkan kesamaan urutan di dalam masing-masing keluarga. Istilah “klan protein” sering digunakan untuk superfamili protease dan glikosida hidrolase berdasarkan sistem klasifikasi MEROPS dan CAZy.^[2][3]

Identifikasi

Di atas, konservasi struktur sekunder dari 80 anggota Klan PA (superfamili). H menunjukkan heliks alfa, E menunjukkan lembaran beta, L menunjukkan loop. Di bawah, konservasi urutan untuk penyelarasan yang sama. Panah menunjukkan residu triad katalitik. Diselaraskan berdasarkan struktur oleh DALI

Superfamili protein diidentifikasi menggunakan berbagai metode. Anggota yang memiliki hubungan dekat dapat diidentifikasi dengan metode yang berbeda dari metode yang diperlukan untuk mengelompokkan anggota yang paling jauh secara evolusi.

Kemiripan urutan

Artikel utama: Urutan homologi

Berdasarkan sejarah, kesamaan urutan asam amino yang berbeda telah menjadi metode paling umum untuk menyimpulkan homologi.^[5] Kesamaan urutan dianggap sebagai prediktor yang baik untuk hubungan kekerabatan, karena urutan yang serupa lebih mungkin merupakan hasil dari duplikasi gen dan evolusi divergen, daripada hasil dari evolusi konvergen. Urutan asam amino umumnya lebih konservatif daripada urutan DNA (karena kode genetik yang degeneratif), sehingga menjadi metode deteksi yang lebih sensitif. Karena beberapa asam amino memiliki sifat serupa (misalnya, muatan, hidrofobisitas, ukuran), mutasi konservatif yang menggantikan mereka seringkali netral terhadap fungsi. Wilayah urutan yang paling konservatif pada protein seringkali sesuai dengan wilayah fungsional penting seperti situs katalitik dan situs pengikatan, karena wilayah ini kurang toleran terhadap perubahan urutan.

Menggunakan kesamaan urutan untuk menyimpulkan homologi memiliki beberapa keterbatasan. Tidak ada tingkat kesamaan urutan minimum yang dijamin menghasilkan struktur identik. Selama periode evolusi yang panjang, protein terkait mungkin tidak menunjukkan kesamaan urutan yang terdeteksi satu sama lain. Urutan dengan banyak insersi dan delesi juga kadang-kadang sulit untuk dijalin dan sehingga mengidentifikasi wilayah urutan homolog. Dalam klan PA protease, misalnya, tidak ada satupun residu yang konservatif di seluruh superfamili, bahkan yang berada dalam triad katalitik. Sebaliknya, keluarga-keluarga individu yang membentuk sebuah superfamili didefinisikan berdasarkan penyelarasan urutan mereka, misalnya keluarga protease C04 dalam klan PA.

Meskipun demikian, kesamaan urutan adalah bentuk bukti yang paling umum digunakan untuk menyimpulkan hubungan kekerabatan, karena jumlah urutan yang diketahui jauh lebih banyak daripada jumlah struktur tersier yang diketahui.^[6] Tanpa informasi struktural, kesamaan urutan membatasi batas-batas protein mana yang dapat diklasifikasikan ke dalam suatu superfamili.^[6]

Kemiripan struktural

Artikel utama: Urutan struktural

Struktur jauh lebih terjaga secara evolusi daripada urutan asam amino, sehingga protein dengan struktur yang sangat mirip dapat memiliki urutan asam amino yang sepenuhnya berbeda.^[7] Selama skala waktu evolusi yang sangat panjang, sangat sedikit residu yang menunjukkan konservasi urutan asam amino yang terdeteksi, namun elemen struktur sekunder dan motif struktur tersier sangat terjaga. Beberapa dinamika protein^[8] dan perubahan konformasi struktur protein juga dapat terjaga, seperti yang terlihat pada superfamili serpin.^[9] Akibatnya, struktur tersier protein dapat digunakan untuk mendeteksi homologi antara protein bahkan ketika tidak ada bukti hubungan dalam urutan asam aminonya. Program penyelarasan struktur, seperti DALI, menggunakan struktur 3D protein yang diminati untuk menemukan protein dengan lipatan serupa.^[10] Namun, dalam kasus yang jarang terjadi, protein yang terkait dapat berevolusi menjadi secara struktural berbeda^[11] dan hubungan hanya dapat disimpulkan dengan metode lain.^[12][13][14]

Signifikansi evolusioner

Superfamili protein mewakili batas kemampuan kita saat ini untuk mengidentifikasi asal-usul bersama.^[21] Mereka merupakan kelompok evolusioner terbesar berdasarkan bukti langsung yang saat ini mungkin. Oleh karena itu, mereka termasuk di antara peristiwa evolusioner tertua yang saat ini dipelajari. Beberapa superfamili memiliki anggota yang terdapat di semua kingdom kehidupan, menunjukkan bahwa nenek moyang terakhir dari superfamili tersebut berada di leluhur bersama universal terakhir semua kehidupan (LUCA).^[22]

Anggota superfamili dapat terdapat pada spesies yang berbeda, dengan protein nenek moyang merupakan bentuk protein yang ada pada spesies nenek moyang (ortologi). Sebaliknya, protein dapat terdapat pada spesies yang sama, tetapi berevolusi dari satu protein yang gennya diduplikasi dalam genom (paralogi).

Contoh

Superfamili hidrolase α/β

Anggota berbagi struktur lembaran α/β, yang terdiri dari 8 untai yang dihubungkan oleh heliks, dengan residu triad katalitik dalam urutan yang sama,^[23] aktivitasnya meliputi protease, lipase, peroksidase, esterase, hidrolase epokside, dan dehalogenase.^[24]

Superfamili fosfatase alkali

Anggota berbagi struktur sandwich αβα^[25] serta melakukan reaksi promiscuous yang umum melalui mekanisme yang sama.^[26]

Superfamili globin

Anggota memiliki lipatan globulin globular dengan 8 heliks alfa.

Superfamili Immunoglobulin

Anggota memiliki struktur sandwich dari dua lembar untai β antiparalel (Ig-fold) dan terlibat dalam pengenalan, ikatan, dan adhesi.^[27][28]

Superfamili LYR

Anggota memiliki motif LYR yang konservatif (Leusina–Tirosina–Argirina) tertanam dalam struktur tiga heliks α dan berfungsi sebagai protein adaptor yang esensial untuk perakitan kluster Fe–S mitokondria dan kompleks fosforilasi oksidatif.^[29][30]

Klan PA

Anggota memiliki lipatan ganda β-barel seperti cimotripsin dan mekanisme proteolisis serupa, tetapi identitas urutan <10%. Klan ini mencakup protease sistein dan serina (nukleofil yang berbeda).^[31][32]

Superfamili Ras

Anggotanya memiliki domain katalitik G yang terdiri dari lembaran β enam untai yang dikelilingi oleh lima heliks α.^[33]

Superfamili RSH

Superkeluarga Anggotanya memiliki kemampuan untuk menghidrolisis dan/atau mensintesis alarmon ppGpp dalam respons stringent.^[34]

Superfamili Serpin

Anggotanya memiliki lipatan berenergi tinggi yang tertekan, yang dapat mengalami perubahan konformasi besar, biasanya digunakan untuk menghambat protease serina dan sisteina dengan mengganggu strukturnya.^[35]

Superfamili TIM barrel

Anggotanya memiliki struktur barel α8β8 yang besar. Ini adalah salah satu lipatan protein paling umum, dan monofilikitas superfamili ini masih diperdebatkan.^[36][37]

Sumber daya superfamili protein

Beberapa basis data biologi mendokumentasikan superfamili protein dan lipatan protein, misalnya:

• Pfam - Basis data keluarga protein yang berisi penyelarasan dan HMM
• PROSITE - Basis data domain protein, keluarga, dan situs fungsional
• PIRSF - Sistem Klasifikasi Superfamili
• PASS2 - Penyelarasan Protein sebagai Superfamili Struktur v2
• SUPERFAMILY - Perpustakaan HMM yang mewakili superfamili dan basis data anotasi (superfamili dan famili) untuk semua organisme yang telah sekuensing lengkap
• SCOP dan CATH - Klasifikasi struktur protein ke dalam superfamili, famili, dan domain

Demikian pula, terdapat algoritma yang mencari protein dengan homologi struktural terhadap struktur target di PDB, misalnya:

• DALI - Penyelarasan struktural berdasarkan metode matriks

Referensi

1. 1 2 "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
2. 1 2 3 Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (January 2012). "MEROPS: the database of proteolytic enzymes, their substrates and inhibitors". Nucleic Acids Research. 40 (Database issue): D343–50. doi:10.1093/nar/gkr987. PMC 3245014. PMID 22086950.
3. ↑ Henrissat B, Bairoch A (June 1996). "Updating the sequence-based classification of glycosyl hydrolases". The Biochemical Journal. 316 (Pt 2): 695–6. doi:10.1042/bj3160695. PMC 1217404. PMID 8687420.
4. ↑ "Clustal FAQ #Symbols". Clustal. Diarsipkan dari asli tanggal 24 October 2016. Diakses tanggal 8 December 2014.
5. ↑ Han JH, Batey S, Nickson AA, Teichmann SA, Clarke J (April 2007). "The folding and evolution of multidomain proteins". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (4): 319–30. doi:10.1038/nrm2144. PMID 17356578. S2CID 13762291.
6. 1 2 Pandit SB, Gosar D, Abhiman S, Sujatha S, Dixit SS, Mhatre NS, Sowdhamini R, Srinivasan N (January 2002). "SUPFAM--a database of potential protein superfamily relationships derived by comparing sequence-based and structure-based families: implications for structural genomics and function annotation in genomes". Nucleic Acids Research. 30 (1): 289–93. doi:10.1093/nar/30.1.289. PMC 99061. PMID 11752317.
7. 1 2 3 4 5 "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
8. ↑ "Evolution of primate α and θ defensins revealed by analysis of genomes". Molecular Biology Reports. 41 (6): 3859–66. June 2014. doi:10.1007/s11033-014-3253-z. PMC 2654728. PMID 24557891. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
9. ↑ Silverman GA, Bird PI, Carrell RW, Church FC, Coughlin PB, Gettins PG, Irving JA, Lomas DA, Luke CJ, Moyer RW, Pemberton PA, Remold-O'Donnell E, Salvesen GS, Travis J, Whisstock JC (September 2001). "The serpins are an expanding superfamily of structurally similar but functionally diverse proteins. Evolution, mechanism of inhibition, novel functions, and a revised nomenclature". The Journal of Biological Chemistry. 276 (36): 33293–6. doi:10.1074/jbc.R100016200. PMID 11435447.
10. ↑ "Dali server update". Nucleic Acids Research. 44 (W1): W351–5. July 2016. doi:10.1093/nar/gkw357. PMC 4987910. PMID 27131377. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
11. ↑ "Evolution of primate α and θ defensins revealed by analysis of genomes". Molecular Biology Reports. 41 (6): 3859–66. June 2014. doi:10.1007/s11033-014-3253-z. PMC 2654728. PMID 24557891. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
12. ↑ "Evolution of primate α and θ defensins revealed by analysis of genomes". Molecular Biology Reports. 41 (6): 3859–66. June 2014. doi:10.1007/s11033-014-3253-z. PMID 24557891. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
13. ↑ "An evolving hierarchical family classification for glycosyltransferases". Journal of Molecular Biology. 328 (2): 307–17. April 2003. doi:10.1016/S0022-2836(03)00307-3. PMID 12691742. ; Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
14. ↑ "Independent evolution of four heme peroxidase superfamilies". Archives of Biochemistry and Biophysics. 574: 108–19. May 2015. doi:10.1016/j.abb.2014.12.025. PMC 4420034. PMID 25575902. ; Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
15. ↑ Dessailly, Benoit H.; Dawson, Natalie L.; Das, Sayoni; Orengo, Christine A. (2017), "Function Diversity within Folds and Superfamilies", From Protein Structure to Function with Bioinformatics (dalam bahasa Inggris), Springer Netherlands, hlm. 295–325, doi:10.1007/978-94-024-1069-3_9, ISBN 978-94-024-1067-9
16. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
17. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
18. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
19. ↑ "An evolving hierarchical family classification for glycosyltransferases". Journal of Molecular Biology. 328 (2): 307–17. April 2003. doi:10.1016/S0022-2836(03)00307-3. PMID 12691742. ; Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
20. ↑ "Independent evolution of four heme peroxidase superfamilies". Archives of Biochemistry and Biophysics. 574: 108–19. May 2015. doi:10.1016/j.abb.2014.12.025. PMC 4420034. PMID 25575902. ; Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
21. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
22. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
23. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
24. ↑ "Evolution of primate α and θ defensins revealed by analysis of genomes". Molecular Biology Reports. 41 (6): 3859–66. June 2014. doi:10.1007/s11033-014-3253-z. PMID 24557891. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
25. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
26. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
27. ↑ Bork P, Holm L, Sander C (September 1994). "The immunoglobulin fold. Structural classification, sequence patterns and common core". Journal of Molecular Biology. 242 (4): 309–20. doi:10.1006/jmbi.1994.1582. PMID 7932691.
28. ↑ Brümmendorf T, Rathjen FG (1995). "Cell adhesion molecules 1: immunoglobulin superfamily". Protein Profile. 2 (9): 963–1108. PMID 8574878.
29. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
30. ↑ "An evolving hierarchical family classification for glycosyltransferases". Journal of Molecular Biology. 328 (2): 307–17. April 2003. doi:10.1016/S0022-2836(03)00307-3. PMID 12691742. ; Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
31. ↑ Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (January 2012). "MEROPS: the database of proteolytic enzymes, their substrates and inhibitors". Nucleic Acids Research. 40 (Database issue): D343–50. doi:10.1093/nar/gkr987. PMC 3245014. PMID 22086950.
32. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
33. ↑ Vetter IR, Wittinghofer A (November 2001). "The guanine nucleotide-binding switch in three dimensions". Science. 294 (5545): 1299–304. Bibcode:2001Sci...294.1299V. doi:10.1126/science.1062023. PMID 11701921. S2CID 6636339.
34. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
35. ↑ Silverman GA, Bird PI, Carrell RW, Church FC, Coughlin PB, Gettins PG, Irving JA, Lomas DA, Luke CJ, Moyer RW, Pemberton PA, Remold-O'Donnell E, Salvesen GS, Travis J, Whisstock JC (September 2001). "The serpins are an expanding superfamily of structurally similar but functionally diverse proteins. Evolution, mechanism of inhibition, novel functions, and a revised nomenclature". The Journal of Biological Chemistry. 276 (36): 33293–6. doi:10.1074/jbc.R100016200. PMID 11435447.
36. ↑ "Handicap-Recover Evolution Leads to a Chemically Versatile, Nucleophile-Permissive Protease". ChemBioChem (dalam bahasa Inggris). 16 (13): 1866–1869. September 2015. doi:10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821. PMID 26097079. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
37. ↑ "An evolving hierarchical family classification for glycosyltransferases". Journal of Molecular Biology. 328 (2): 307–17. April 2003. doi:10.1016/S0022-2836(03)00307-3. PMID 12691742. ; Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

Pranala luar

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Protein superfamilies.