단백질 패밀리
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1. 개요
단백질 패밀리는 서열, 기능, 구조가 유사한 단백질의 집합을 의미하며, 단백질 슈퍼패밀리, 단백질 서브패밀리 등 계층적 분류 체계를 갖는다. 단백질 도메인과 모티프는 단백질 패밀리를 이해하는 데 중요한 개념이며, 단백질 패밀리는 유전자 중복과 돌연변이 과정을 통해 진화한다. 단백질 패밀리는 계통 발생 분석, 기능 주석, 효소 기능 연구 등에 활용되며, Pfam, PROSITE, InterPro 등 다양한 데이터베이스와 검색 알고리즘을 통해 정보를 얻을 수 있다.
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| 단백질 패밀리 | |
|---|---|
| 단백질 패밀리 개요 | |
| 정의 | 진화적으로 관련된 단백질 그룹 |
| 특징 | 유사한 서열 유사한 3차원 구조 유사한 기능 |
| 관련 개념 | 유전자 패밀리 단백질 도메인 단백질 모티프 |
| 단백질 패밀리 분류 방법 | |
| 서열 유사성 기반 | 전체 아미노산 서열 비교 |
| 구조 유사성 기반 | 3차원 구조 비교 |
| 기능 유사성 기반 | 생화학적 기능 비교 |
| 진화 관계 기반 | 공통 조상으로부터의 진화 경로 추적 |
| 단백질 패밀리 데이터베이스 | |
| 주요 데이터베이스 | Pfam InterPro প্রোसाइट SCOP CATH |
| 데이터베이스 활용 | 단백질 기능 예측, 진화 관계 연구, 약물 표적 발굴 등 |
| 단백질 패밀리의 중요성 | |
| 생물학적 중요성 | 세포 내 다양한 생명 현상 조절 생체 내 물질대사 과정 촉매 외부 자극에 대한 신호 전달 |
| 의학적 중요성 | 질병 진단 및 치료, 신약 개발 등에 활용 |
| 관련 연구 분야 | |
| 연구 분야 | 생물정보학 구조생물학 유전체학 단백질체학 |
2. 용어 및 정의
단백질 패밀리라는 용어는 광범위하게 사용되며, 거의 감지할 수 없는 서열 유사성을 가진 단백질의 큰 그룹뿐만 아니라, 거의 동일한 서열, 기능 및 구조를 가진 좁은 그룹의 단백질에도 적용될 수 있다. 이러한 경우를 구별하기 위해 계층적 용어가 사용된다. 분류의 최상위 수준에는 종종 구조적 유사성을 기반으로 하여, 서로 먼 관계의 단백질을 묶는 단백질 슈퍼패밀리가 있다.[6][7][8][9] 다음은 상당한 서열 유사성을 통해 나타나는 공통적인 진화적 기원을 가진 단백질을 나타내는 단백질 패밀리이다.[2][10] 단백질 서브패밀리는 유사하거나 동일한 기능을 가진 밀접하게 관련된 단백질을 나타내기 위해 패밀리 내에서 정의될 수 있다.[11] 예를 들어, PA 클랜 프로테아제와 같은 슈퍼패밀리는 그 안에 있는 C04 패밀리보다 서열 보존성이 떨어진다.
단백질 패밀리는 초기에 미오글로빈, 헤모글로빈과 같이 하나의 도메인으로 구성된 단백질을 중심으로 인식되었다. 이후, 여러 개의 독립적인 구조 및 기능 단위(단백질 도메인)를 가진 단백질이 발견되면서, 단백질 도메인 패밀리에 대한 연구가 활발해졌다. 진화 과정에서 재조합으로 인해 단백질 내 도메인은 독립적으로 진화하여, 단백질 도메인 패밀리가 형성되었다. 여러 온라인 리소스에서 이러한 단백질 도메인을 식별하고 분류하는 정보를 제공한다.[12][13]
현재 합의에 따르면, 단백질 패밀리는 두 가지 방식으로 발생한다. 첫째, 부모 종이 유전적으로 고립된 두 개의 자손 종으로 분리되면 유전자/단백질이 이 두 계통에서 독립적으로 변이(돌연변이)를 축적할 수 있다. 이것은 일반적으로 보존된 서열 모티프를 가진 오르톨로그 단백질 패밀리를 생성한다. 둘째, 유전자 중복은 유전자의 두 번째 사본(파랄로그라고 함)을 생성할 수 있다. 원래 유전자가 여전히 기능을 수행할 수 있기 때문에 중복된 유전자는 자유롭게 분화되어 (무작위 돌연변이에 의해) 새로운 기능을 획득할 수 있다.[15]
단백질 서열 수 증가와 프로테옴 분석에 대한 관심 확대로 단백질을 패밀리로 구성하고 구성 요소인 도메인과 모티프를 설명하려는 연구가 진행 중이다. 단백질 패밀리의 신뢰성 있는 식별은 계통 발생 분석, 기능 주석, 단백질 기능 다양성 탐구에 매우 중요하다.[16] 효소 기능 이니셔티브(Enzyme Function Initiative)는 서열/구조 기반 전략 개발의 기초로 단백질 패밀리 및 슈퍼패밀리를 활용한다.[16] 대규모 단백질 패밀리 구축을 위한 알고리즘은 유사성 개념에 기반한다.
많은 생물학 데이터베이스에서 단백질 패밀리 목록을 제공하고 사용자가 쿼리 시퀀스를 알려진 패밀리에 일치시킬 수 있도록 한다.[1] 여기에는 다음이 포함된다.[1]
[1]
웹사이트
What are protein families? Protein classification
https://www.ebi.ac.u[...]
2023-11-14
3. 단백질 도메인 및 모티프
단백질의 기능적 제약은 영역마다 다르다. 예를 들어, 효소의 활성 부위는 특정 아미노산 잔기가 정확하게 정렬되어야 한다. 단백질-단백질 결합 인터페이스는 아미노산 잔기의 소수성 또는 극성에 제약이 있는 큰 표면으로 구성될 수 있다. 기능적으로 제약된 영역은 제약이 없는 영역보다 느리게 진화하여 보존된 서열 블록(모티프)을 생성한다. 여러 온라인 리소스에서 이러한 단백질 모티프를 식별하고 분류하는 정보를 제공한다.[14]
4. 단백질 패밀리의 진화
특정 유전자/단백질 패밀리, 특히 진핵생물의 경우, 진화 과정에서 극심한 확장과 수축을 겪으며, 때로는 전체 게놈 중복과 함께 발생한다. 확장 가능성은 낮고 손실 가능성은 내재적으로 무질서한 단백질과 소수성 아미노산이 1차 서열을 따라 최적 분산 정도에서 더 멀리 떨어진 단백질 도메인에서 더 높다. 단백질 패밀리의 이러한 확장과 수축은 게놈 진화의 두드러진 특징 중 하나이지만, 그 중요성과 결과는 현재 불분명하다.[15]
5. 단백질 패밀리의 활용 및 중요성
6. 단백질 패밀리 관련 자료
데이터베이스 이름 설명 Pfam 정렬 및 HMM의 단백질 패밀리 데이터베이스[1] PROSITE 단백질 도메인, 패밀리 및 기능적 부위 데이터베이스[1] PIRSF 슈퍼패밀리 분류 시스템[1] PASS2 단백질 정렬 as 구조적 슈퍼패밀리 v2 - PASS2@NCBS[1] SUPERFAMILY 모든 완전하게 시퀀싱된 유기체에 대한 슈퍼패밀리를 나타내는 HMM 라이브러리 및 (슈퍼패밀리 및 패밀리) 주석 데이터베이스[1] SCOP 및 CATH 단백질 구조를 슈퍼패밀리, 패밀리 및 도메인으로 분류[1]
마찬가지로 많은 데이터베이스 검색 알고리즘이 존재한다.[1] 예를 들면 다음과 같다.[1]
참조
[2]
서적
Protein Families: Relating Protein Sequence, Structure, and Function
John Wiley & Sons, Inc.
[3]
논문
An Introduction to Sequence Similarity ("Homology") Searching
2013
[4]
논문
A comprehensive review and comparison of different computational methods for protein remote homology detection
https://pubmed.ncbi.[...]
2018-03-01
[5]
논문
Myriads of protein families, and still counting
2003
[6]
논문
Computer analysis of protein sequences
1974-12
[7]
논문
Evolution of sequences within protein superfamilies
[8]
논문
The origin and evolution of protein superfamilies
1976-08
[9]
논문
Protein Families and Their Evolution—A Structural Perspective
https://www.annualre[...]
2005-06-01
[10]
논문
Visualizing Sequence Similarity of Protein Families
2004
[11]
서적
Protein Families: Relating Protein Sequence, Structure, and Function
John Wiley & Sons, Inc.
[12]
논문
Protein domain identification methods and online resources
2021-01-01
[13]
서적
Protein Families: Relating Protein Sequence, Structure, and Function
John Wiley & Sons, Inc.
[14]
논문
Tools and resources for identifying protein families, domains and motifs
2001-12-19
[15]
논문
Differential Retention of Pfam Domains Contributes to Long-term Evolutionary Trends
2023-04-04
[16]
논문
The Enzyme Function Initiative
2011-11-22
[17]
논문
PASS2 version 4: An update to the database of structure-based sequence alignments of structural domain superfamilies
https://doi.org/10.1[...]
2012
[18]
논문
OrthoFinder: Solving fundamental biases in whole genome comparisons dramatically improves orthogroup inference accuracy
2015-08-06
[19]
논문
OrthoFinder: Phylogenetic orthology inference for comparative genomics
2019-11-14
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