Αρχές οµικής Βιοπληροφορικής. Πρωτεΐνες. Αµινοξέα. (Υδρόφοβα)

Transcript

1 Αρχές οµικής Βιοπληροφορικής Πρωτεΐνες Αµινοξέα (Υδρόφοβα)

2 Αµινοξέα Αµινοξέα (πολικά)

3 Αµινοξέα φορτισµένα πολικά Αµινοξέα (φορτισµένα)

4 Αµινοξέα Αµινοξέα

5 Αµινοξέα Τί µένει; Σπάνια αµινοξέα πρωτεϊνών (π.χ. υδροξυλυσίνη, υδροξυπρολίνη, τριµεθυλυσίνη) προερχόµενα από µεταµεταφραστικές τροποποιήσεις Μη πρωτεϊνικά αµινοξέα (π.χ. ενδιάµεσα της αµινοξικής βιοσύνθεσης, νευροδιαβιβαστές) Αµινοξικά παράγωγα (π.χ. σεροτονίνη)

6 Όλα αρχίζουν µε τον πεπτιδικό δεσµό (π.δ.) Ηφύση του πεπτιδικού δεσµού Τα Cα συνήθως στην µορφή trans. Τα 6 άτοµα του π.δ. βρίσκονται πάνω σε επίπεδο. Μήκος ~1.3 Å (κάτι µεταξύ απλού και διπλού) Το Ν µερικώς θετικό και το Ο µερικώς αρνητικό διπολική ροπή Μερικός χαρακτήρας διπλού δεσµού (40%) απαγορεύεται η περιστροφή γύρω από τον δεσµό.

7 Γωνίες στροφής Πεπτίδια Μικρά πολυµερή αµινοξέων συνδεδεµένα µε πεπτιδικούς δεσµούς 2 αµινοξέα διπεπτίδιο 3 αµινοξέα τριπεπτίδιο αµινοξέα ολιγοπεπτίδιο > 20 Αµινοξέα πολυπεπτίδιο Οι πεπτιδικοί δεσµοί σχηµατίζουν την σπονδυλική στήλη της αλυσίδας Πολλές δυνατές διαµορφώσεις λόγω των φ και ψ.

8 ευτεροταγής δοµή α- έλικα β- έλασµα Αναστροφές coils Τοπικές δοµές που σταθεροποιούνται µε δεσµούς υδρογόνου µεταξύ ατόµων της αλυσίδας α- έλικα

9 α- έλικα Η πιο συχνή δευτεροταγής δοµή 3.6 αµινοξέα ανά στροφή εσµός υδρογόνου µεταξύ κάθε τετάρτου αµινοξέος Μέσο µήκος: 10 αµινοξέα, ή 3 στροφές Κυµαίνεται από 5 έως 40 αµινοξέα Παραµορφώσεις των a-ελίκων Οφείλονται: 1. Συσκευασία 2. Κυκλική πλευρική αλυσίδα της προλίνης. 3. Έκθεση C=O και ΝΗ οµάδων σε διαλύτη

10

11 β- διαµόρφωση β- διαµόρφωση

12 β- διαµόρφωση β- πτυχωµένη επιφάνεια

13 β- διαµόρφωση The Ramachandran Plot

14 Πρωτεΐνη σχεδόν αποκλειστικά µε β-ελάσµατα (κίτρινες στιγµές) και µόνο µια έλικα (κόκκινες στιγµές) Περιορισµένες µεταβολές των γωνιών φ και ψ. Αναστροφές (Loops) Περιοχές µεταξύ α-ελίκων και β-strands ιαφόρων µηκών και στερεοχηµικών διαµορφώσεων Εντοπίζονται στην επιφάνεια της δοµής

15 Αναστροφές (Loops) Φουρκέτες(Hairpin loops): πλήρης αναστροφή στην πολυπεπτιδική αλυσίδα, (αντιπαράλληλα β- ελάσµατα) Τείνουν να αποτελούνται από φορτισµένα και πολικά αµινοξέα Συχνά συστατικό µέρος ενεργών θέσεων

16

17 Super-secondary structure Συνδυασµοί στοιχείων δευτεροταγούς δοµής που σχηµατίζουν ειδικές γεωµετρικές διατάξεις (motifs)- προηγούµενες δοµές β-µαίανδροι: ιαδοχικά β-ελάσµατα συνδεδεµένα µε hairpins 6 κλάσεις πρωτεϊνικών δοµών 1) κλάση α: δέσµες α-ελίκων συνδεδεµένων µέσω αναστροφών στην επιφάνεια πρωτεϊνών 2) κλάση β: αντιπαράλληλα β-επίπεδα, συνήθως 2 σε στενή επαφή σχηµατίζοντας σάντουϊτς 3) κλάση α/β: κυρίως παράλληλα β-επίπεδα µε παρεµβαλλόµενες α-έλικες.

18 6 κλάσεις πρωτεϊνικών δοµών 4) κλάση α+ β: κυρίως αποµονωµένες α- έλικες και αντιπαράλληλα β-επίπεδα 5) Multidomain (α και β): πρωτεΐνες µε συνδυασµό τωνπροηγούµενων domains 6) Πρωτεΐνες µεµβρανών και κυτταρικών επιφανειών καθώς και πεπτίδια εκτός των πρωτεϊνών του ανοσοποιητικού Κλάση α (αιµοσφαιρίνη)

19 Κλάση β (T-Cell υποδοχέας CD8) Κλάση α/β (συνθετάση της τρυπτοφάνης)

20 Κλάση α+β (1RNB) Μεµβρανική πρωτεΐνη (10PF)

21 Βάσεις δεδοµένων πρωτεϊνικών δοµών Βάσεις δεδοµένων 3D-δοµής από Κρυσταλλογραφία X-ray ή τηµέθοδο NMR Βάσεις δεδοµένων πρωτεϊνών: PDB SCOP Swiss-Prot PIR Βάσεις δεδοµένων πρωτεϊνικών δοµών Ηπιοεξειδικευµένη για 3D-δοµή είναιη Protein Data Bank (PDB), ~ δοµές

22 Βάσεις δεδοµένων δοµικής ταξινόµησης Structural Classification of proteins (SCOP) Ταξινόµηση βάσει τάξης, οικογένειας, υπεροικογένειας και δίπλωση. Ανάλυση δοµικών και εξελικτικών σχέσεων πρωτεϊνών της PDB Βάσεις δεδοµένων δοµικής ταξινόµησης Ταξινόµηση βάσει της class, architecture, topology, and homology (CATH) Οι κλάσεις α/β και α+β θεωρούνται µια

23 Molecular Modeling Database (MMDB) Κατηγοριοποιεί δοµές της PDB σε δοµικά συγγενείς οµάδες χρησιµοποιώντας το VAST Ψάχνει για όµοιες διατάξεις στοιχείων δευτεροταγούς δοµής Spatial Arrangement of Backbone Fragments (SARF) Κατηγοριοποίηση βάσει δοµικών οµοιοτήτων (~ όπως η MMDB)

24 Πρόβλεψη δοµής πρωτεϊνών (Prediction of Protein Structure) Ενώ οι ακολουθίες εξελίσσονται, οι 3D δοµές τείνουν να συντηρούνται Η λειτουργία τείνει επίσης να συντηρείται Όµως η λειτουργία τείνει να αλλάζει ταχύτερα από ό,τι η δοµή

25 Εξελικτικές οικογένειες πρωτεϊνών Στο πλαίσιο µιας εξελικτικής οικογενείας πρωτεϊνών αναµένουµε: µόνο µια βασική 3D δοµή ίσως περισσότερες από µια διαφορετικές λειτουργίες Οι λειτουργικές διαφορές µπορεί να είναι ελάσσονες ή µείζονες µεταβολή στην ενζυµική εξειδίκευση (ελάσσονες) µεταβολή από ένζυµο σε δοµική πρωτεΐνη (µείζονες). Τί είναι η πρόβλεψη της δοµής πρωτεϊνών; Στην πιο γενική της µορφή Πρόβλεψη της σχετικής θέσης στον χώρο κάθε ατόµου, προερχόµενη από την γνώση µόνο της πρωτοταγούς δοµής (ακολουθία)

26 Γιατί πρόβλεψη δοµής; Χάσµα ακολουθίας - δοµής γνωστές ακολουθίες, µε γνωστές δοµές Γνώση της δοµής συµβάλει στην - κατανόηση του µηχανισµού λειτουργίας - πρόβλεψη της λειτουργίας Γιατί πρόβλεψη δοµής; Σχεδιασµός φαρµάκων µε βάση την δοµή Κατανόηση των αποτελεσµάτων στην δοµή ή στην λειτουργία προερχόµενα από µεταλλάξεις Εξαιρετικά ενδιαφέρουσα επιστηµονική πρόκληση Παραµένει άλυτο πρόβληµα στην γενική του µορφή µετά από 20ετείς ερευνητικές προσπάθειες

27 Μέθοδοι πρόβλεψης δοµής Συγκριτικός σχεδιασµός (Comparative modelling) Πρόβλεψη δευτεροταγούς δοµής Αναγνώριση αναδίπλωσης (Fold recognition/threading) Ab initio προσεγγίσεις Συγκριτικός σχεδιασµός (Comparative modelling) Προβλέπει τριτοταγή δοµή επί τη βάση γνωστών δοµών πρωτεϊνών µε όµοια ακολουθία προς την πρωτεΐνη «στόχο» (target), οι οποίες καλούνται «πρότυπα» (templates) οµοπαράθεσης µεταξύ των προτύπων και του στόχου Υπενθύµιση: ~25% seq ID σηµαίνει ότι δύο πρωτεΐνες έχουν την ίδια βασική δοµή

28 Συγκριτικός σχεδιασµός (Comparative modelling) Επιλογή κατάλληλης ακολουθίας προτύπου Προσαρµογή του «στόχου» στο «πρότυπο» Κατασκευή του σκελετού Κατασκευή βρόγχων και πλευρικών αλυσίδων Εύλογα αποτελέσµατα >50% Seq ID Συγκριτικός σχεδιασµός (Comparative modelling) Ανεύρεση καταλλήλου προτύπου Blast-search στην PDB Ποσοστό ταυτότητας και συντηρηµένες περιοχές

29 Επιλογή των µεθόδων πρόβλεψης ιαθέσιµες όµοιες ακολουθίες γνωστής δοµής ο συγκριτικός σχεδιασµός είναι ο καλύτερος τρόπος - όλες οι άλλες µέθοδοι είναι λιγότερο αξιόπιστες Όµοιες ακολουθίες γνωστής δοµής δεν είναι πάντα διαθέσιµες Αν δεν είναι δυνατός ο συγκριτικός σχεδιασµός; Πρώτο βήµα είναι η πρόβλεψη δευτεροταγούς δοµής (1D) Προβλέπει για κάθε αµινοξύ αν ανήκει σε έλικα (H), β-strand (E) ή C (coil/loop) Σε αντίθεση µε την πρόβλεψη της τριτοταγούς δοµής στην πρόβλεψη της δευτεροταγούς δοµής έχουν γίνει σηµαντικές πρόοδοι.

30 Πέρα από την πρόβλεψη της δευτεροταγούς δοµής Αναγνώριση αναδίπλωσης (fold recognition/ threading) Εξετάζεται αν η ακολουθία στόχος είναι συµβατή µε µια γνωστή αναδίπλωση, ακόµα και αν δεν έχει σηµαντική οµοιότητα µε την ακολουθία της ab initio αναδίπλωση της πρωτεΐνης Ab initio αναδίπλωση πρωτεΐνης Στοχεύει στην πρόβλεψη της τριτοταγούς δοµής µε βάση φυσικοχηµικές αρχές εν βασίζεται στην διαπίστωση οµοιότητας µε ακολουθίες γνωστής δοµής Ενδιαφέρον επιστηµονικό ερώτηµα Προς το παρόν αναξιόπιστη µέθοδος για πρακτική χρήση

31 Ευστοχία της πρόβλεψης Συγκριτικός σχεδιασµός Υψηλός βαθµός ευστοχίας όταν οι ακολουθίες πρότυπο και στόχος έχουν µεγάλη οµοιότητα Μερικές φορές RMSD < 1.0 Angstrom (τετραγωνική ρίζα της µέσης τετραγωνικής απόκλισης µεταξύ των θέσεων κάθε ατόµου στην προβλεπόµενη και στην πραγµατική δοµή) RMSD N = 1 ( r A i r N B i ) 2 Παράγοντες που επηρεάζουν τον βαθµό ευστοχίας Ποιότητα της οµοπαράθεσης µεταξύ της ακολουθίας «στόχος» και «πρότυπο» - Η προσαρµογή είναι ευκολότερη όταν οι ακολουθίες είναι πολύ όµοιες (seq ID > 80%). Οι καλύτερες µέθοδοι δίνουν µέση ευστοχία µόλις ~ 73% (% αµινοξέων που έχουν προβλεφθεί σωστά)

32 Μέθοδοι πρόβλεψης δευτεροταγούς δοµής Βασική ιδέα: Αποσπάσµατα ακολουθιών από διαδοχικά αµινοξέα δείχνουν να προτιµούν συγκεκριµένες δευτεροταγείς δοµές. Φυσικοχηµικές αρχές, συστήµατα εµπειρογνωµόνων, θεωρία γραφηµάτων, γραµµική και πολυγραµµική στατιστική, αλγόριθµοι εγγύτερων γειτόνων, µοριακή δυναµική και νευρωνικά δίκτυα 60% ευστοχία Αξιοποίηση µόνο τοπικής πληροφορίας, ο σχηµατισµός β-ελασµάτων προέρχεται από µη τοπικές αλληλεπιδράσεις Μέθοδοι πρόβλεψης δευτεροταγούς δοµής ιαπίστωση: 20% των ορθά προβλεφθέντων αµινοξέων ήταν σε strands, 30% σε έλικες και 50% σε µη κανονικές δοµές Η διαπίστωση αυτή άλλαξε τις παραµέτρους εκπαίδευσης νευρωνικών δικτύων και βελτίωσε στο 60% τα αµινοξέα που ανήκουν σε strands και προβλέπονται σωστά.

33 Μέθοδοι πρόβλεψης δευτεροταγούς δοµής ιαπίστωση: 67% των αµινοξέων µπορούν να ανταλλαχθούν σε µια πρωτεΐνη χωρίς µεταβολή της δοµής. ιαπίστωση: Ανταλλαγή πολύ συγκεκριµένων αµινοξέων µπορεί να αποσταθεροποιήσει την δοµή. Εξελικτική πληροφορία: Πολλαπλή οµοπαράθεση σε οικογένεια πρωτεϊνών δίνει πρότυπα ανταλλαγής αµινοξέων ενδεικτικά της δοµής. Ένα προφίλ διαδοχικών αµινοξέων µιας οµοπαράθεσης περιέχει µη τοπική πληροφορία, αφού η εξέλιξη δουλεύει σε αντικείµενο 3D και όχι σε ακολουθία. Μέθοδοι πρόβλεψης δευτεροταγούς δοµής PHD - Rost and Sander (artificial neural network) DSC - King and Sternberg (linear discriminant analysis) NNSSP -Salomov and Solevyev (nearest neighbour algorithm) PREDATOR - Frishman and Argos (Αναγνώριση πιθανών ζευγών καταλοίπων που συνδέονται µε δεσµούς υδρογόνου) JPred2 SSpro2 > 70% ευστοχία

34 Πόροι πρόβλεψης δοµής Πρόβλεψη δευτεροταγούς δοµής Jpred ( Και αρκετοί άλλοι στο WWW Συγκριτικός σχεδιασµός SWISSMODEL ( MODEL.html) Περιορισµός Οι µέθοδοι που αναφέρθηκαν αφορούν σε υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες εν γνωρίζουµε πολλές 3D δοµές διαµεµβρανικών πρωτεϊνών