Align Myoglobin Proteins from Different Animals

The same protein from different organisms often preserves a very similar three-dimensional fold even when its amino acid sequence is not identical. This example compares sperm whale myoglobin and horse myoglobin by aligning their structures, evaluating the alignment quality, and examining residue-level sequence differences.

Load the two proteins and compute a structural alignment:

In[1]:=

whale=BioMolecule

PDB structure

101M

;horse=BioMolecule

PDB structure

1AZI

;

In[2]:=

alignmentData=BioMoleculeAlign[whale,horse,Automatic,All]

Out[2]=

AlignedResidueCount153,BioMoleculeBioMolecule

Type: Peptide

Chains: 5

,RMSError

0.976632

Å

,SequenceCharacterAlignment

M

-

V

:

G

L

:

L

S

:

S

E

:

D

G

:

G

E

:

E

W

:

W

Q

:

Q

L

:

Q

V

:

V

L

:

L

H

:

N

V

:

V

W

:

W

A

:

G

K

:

K

V

:

V

E

:

E

A

:

A

D

:

D

V

:

I

A

:

A

G

:

G

H

:

H

G

:

G

Q

:

Q

D

:

E

I

:

V

L

:

L

I

:

I

R

:

R

L

:

L

F

:

F

K

:

T

S

:

G

H

:

H

P

:

P

E

:

E

T

:

T

L

:

L

E

:

E

K

:

K

F

:

F

D

:

D

R

:

K

V

:

F

K

:

K

H

:

H

L

:

L

K

:

K

T

:

T

E

:

E

A

:

A

E

:

E

M

:

M

K

:

K

A

:

A

S

:

S

E

:

E

D

:

D

L

:

L

K

:

K

:

K

H

:

H

G

:

G

V

:

T

:

V

:

V

L

:

L

T

:

T

A

:

A

L

:

L

G

:

G

A

:

G

I

:

I

L

:

L

K

:

K

:

K

:

K

G

:

G

H

:

H

:

H

E

:

E

A

:

A

E

:

E

L

:

L

K

:

K

P

:

P

L

:

L

A

:

A

Q

:

Q

S

:

S

H

:

H

A

:

A

T

:

T

K

:

K

H

:

H

K

:

K

I

:

I

P

:

P

I

:

I

K

:

K

Y

:

Y

L

:

L

E

:

E

F

:

F

I

:

I

S

:

S

E

:

D

A

:

A

I

:

I

:

I

H

:

H

V

:

V

L

:

L

H

:

H

S

:

S

R

:

K

H

:

H

P

:

P

G

:

G

N

:

D

F

:

F

G

:

G

A

:

A

D

:

D

A

:

A

Q

:

Q

G

:

G

A

:

A

M

:

M

N

:

T

K

:

K

A

:

A

L

:

L

E

:

E

L

:

L

F

:

F

R

:

R

K

:

N

D

:

D

I

:

I

A

:

A

:

A

K

:

K

Y

:

Y

K

:

K

E

:

E

L

:

L

G

:

G

Y

:

F

Q

:

Q

G

:

G

,SequenceIdentity0.862745,TMScore0.958597,TransformationTransformationFunction

0.444703	0.60367	0.661681	7.704 Å
0.409563	-0.794044	0.449168	20.2885 Å
0.796553	0.0712536	-0.600354	-0.53732 Å
0	0	0	1.



Visualize the original whale structure together with the aligned horse structure:

In[3]:=

Show[BioMoleculePlot3D[whale,ColorRules{_RGBColor[0.36,0.53,0.77]}],BioMoleculePlot3D[alignmentData["BioMolecule"],ColorRules{_RGBColor[0.90,0.66,0.16]}]]

Out[3]=

Report numerical measures of residue alignment, sequence similarity, and structural match quality:

In[4]:=

alignmentData〚{"AlignedResidueCount","SequenceIdentity","RMSError","TMScore"}〛

Out[4]=

AlignedResidueCount153,SequenceIdentity0.862745,RMSError

0.976632

Å

,TMScore0.958597

Display the residue-by-residue sequence alignment for the aligned region:

In[5]:=

alignmentData["SequenceCharacterAlignment"]

Out[5]=

M

-

V

:

G

L

:

L

S

:

S

E

:

D

G

:

G

E

:

E

W

:

W

Q

:

Q

L

:

Q

V

:

V

L

:

L

H

:

N

V

:

V

W

:

W

A

:

G

K

:

K

V

:

V

E

:

E

A

:

A

D

:

D

V

:

I

A

:

A

G

:

G

H

:

H

G

:

G

Q

:

Q

D

:

E

I

:

V

L

:

L

I

:

I

R

:

R

L

:

L

F

:

F

K

:

T

S

:

G

H

:

H

P

:

P

E

:

E

T

:

T

L

:

L

E

:

E

K

:

K

F

:

F

D

:

D

R

:

K

V

:

F

K

:

K

H

:

H

L

:

L

K

:

K

T

:

T

E

:

E

A

:

A

E

:

E

M

:

M

K

:

K

A

:

A

S

:

S

E

:

E

D

:

D

L

:

L

K

:

K

:

K

H

:

H

G

:

G

V

:

T

:

V

:

V

L

:

L

T

:

T

A

:

A

L

:

L

G

:

G

A

:

G

I

:

I

L

:

L

K

:

K

:

K

:

K

G

:

G

H

:

H

:

H

E

:

E

A

:

A

E

:

E

L

:

L

K

:

K

P

:

P

L

:

L

A

:

A

Q

:

Q

S

:

S

H

:

H

A

:

A

T

:

T

K

:

K

H

:

H

K

:

K

I

:

I

P

:

P

I

:

I

K

:

K

Y

:

Y

L

:

L

E

:

E

F

:

F

I

:

I

S

:

S

E

:

D

A

:

A

I

:

I

:

I

H

:

H

V

:

V

L

:

L

H

:

H

S

:

S

R

:

K

H

:

H

P

:

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G

:

G

N

:

D

F

:

F

G

:

G

A

:

A

D

:

D

A

:

A

Q

:

Q

G

:

G

A

:

A

M

:

M

N

:

T

K

:

K

A

:

A

L

:

L

E

:

E

L

:

L

F

:

F

R

:

R

K

:

N

D

:

D

I

:

I

A

:

A

:

A

K

:

K

Y

:

Y

K

:

K

E

:

E

L

:

L

G

:

G

Y

:

F

Q

:

Q

G

:

G

Display a residue-level character alignment of the two protein sequences to show where substitutions occur:

In[6]:=

Diff[whale["BioSequences"]["A"],horse["BioSequences"]["A"],"CharacterAlignment"]

Out[6]=

M

|

G

V

|

L

|

L

S

|

S

E

|

D

G

|

G

E

|

E

W

|

W

Q

|

Q

L

|

Q

V

|

V

L

|

L

H

|

N

V

|

V

W

|

W

A

|

G

K

|

K

V

|

V

E

|

E

A

|

A

D

|

D

V

|

I

A

|

A

G

|

G

H

|

H

G

|

G

Q

|

Q

D

|

E

I

|

V

L

|

L

I

|

I

R

|

R

L

|

L

F

|

F

K

|

T

S

|

G

H

|

H

P

|

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E

|

E

T

|

T

L

|

L

E

|

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K

|

K

F

|

F

D

|

D

R

|

K

V

|

F

K

|

K

H

|

H

L

|

L

K

|

K

T

|

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E

|

E

A

|

A

E

|

E

M

|

M

K

|

K

A

|

A

S

|

S

E

|

E

D

|

D

L

|

L

K

|

K

|

K

H

|

H

G

|

G

|

T

V

|

V

T

|

V

|

V

L

|

L

T

|

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A

|

A

L

|

L

G

|

G

A

|

G

I

|

I

L

|

L

K

|

K

|

K

|

K

G

|

G

H

|

H

|

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E

|

E

A

|

A

E

|

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L

|

L

K

|

K

P

|

P

L

|

L

A

|

A

Q

|

Q

S

|

S

H

|

H

A

|

A

T

|

T

K

|

K

H

|

H

K

|

K

I

|

I

P

|

P

I

|

I

K

|

K

Y

|

Y

L

|

L

E

|

E

F

|

F

I

|

I

S

|

S

E

|

D

A

|

A

I

|

I

|

I

H

|

H

V

|

V

L

|

L

H

|

H

S

|

S

R

|

K

H

|

H

P

|

P

G

|

G

N

|

D

F

|

F

G

|

G

A

|

A

D

|

D

A

|

A

Q

|

Q

G

|

G

A

|

A

M

|

M

N

|

T

K

|

K

A

|

A

L

|

L

E

|

E

L

|

L

F

|

F

R

|

R

K

|

N

D

|

D

I

|

I

A

|

A

|

A

K

|

K

Y

|

Y

K

|

K

E

|

E

L

|

L

G

|

G

Y

|

F

Q

|

Q

G

|

G

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