ΔΟΜΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ. Σελίδα 1 ΒΙΟΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ. Τ. Θηραίου

Transcript

1 ΔΟΜΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ Σελίδα 1

2 κύρια αλυσίδα main chain πεπτιδικός δεσμός πλευρική αλυσίδα side chain αμινομάδα amino group α άνθρακας Σελίδα 2 καρβοξυλομάδα carboxyl group

3 Σελίδα 3

4 Ramachandran Plot Σελίδα 4

5 Δομή πρωτεϊνών Πρωτοταγής αμινοξική ακολουθία Δευτεροταγής τοπικές διαμορφώσεις της πολυπεπτιδικής αλυσίδας Τριτοταγής δίπλωμα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας στο χώρο Τεταρτοταγής αλληλεπίδραση πολυπεπτιδικών αλυσίδων

6 α-έλικα αλληλεπιδράσεις μικρής εμβέλειας δεσμός υδρογόνου μεταξύ C=O του καταλοίπου n και NH του καταλοίπου n+4 Σελίδα 6

7 β-πτυχωτή επιφάνεια αλληλεπιδράσεις μακράς εμβέλειας Σελίδα 7

8 στροφές Turns and loops Coil helix, strand, turn Σελίδα 8

9 Τι καθορίζει τη δομή μιας πρωτεΐνης; αμινοξική ακολουθία (Anfinsen) αλληλεπιδράσεις ηλεκτροστατικές Van der Waals δεσμοί υδρογόνου υδρόφοβες σφαιρικές υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες υδρόφοβος πυρήνας / πακετάρισμα ΣΔΔ στροφές κυρίως στο εξωτερικό Σελίδα 9

10 τριτοταγής δομή το πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών δομικά αυτοτελείς περιοχές (domains) χαρακτηριστική ακολουθία και λειτουργία multidomain proteins σχέση δομής λειτουργίας Ακολουθία Δομή Λειτουργία Σελίδα 10

11 Μοριακή Οπτικοποίηση Δομική βιοπληροφορική Δομική Σύγκριση Υπολογιστικός Προσδιορισμός Δομής Μακρομοριακές Προσομοιώσεις Σελίδα 11

12 Μοριακή Οπτικοποίηση Σελίδα 12

13 Μοριακή Οπτικοποίηση μελέτη αλληλεπιδράσεων προσδιορισμός στόχων για κατευθυνόμενη μεταλλαξιγένεση σύγκριση δομών τρόπος σύνδεσης (connectivity) των ατόμων εικονικό τρισδιάστατο περιβάλλον - αίσθηση του βάθους τυποποιημένες αναπαραστάσεις που αναδεικνύουν τη συνολική τοπολογία ή άλλες ιδιότητες των πρωτεϊνών εμφάνιση υποομάδας ατόμων επιλεγμένων από το χρήστη χρωματισμός των ατόμων βάσει κάποιας παραμέτρου Σελίδα 13

14 Μοριακή Οπτικοποίηση PyMOL RasMol VMD διεπαφή προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής DeepView - Swiss-PdbViewer υπέρθεση δομών, υπολογιστικές μεταλλάξεις κ.α. Jmol Σελίδα 14

15 Δομική Σύγκριση Η δομή είναι περισσότερο συντηρημένη από την ακολουθία. π.χ. λιποκαλίνες μελέτη εξελικτικών σχέσεων αναγνώριση σχέσεων δομής/λειτουργίας πρόβλεψη λειτουργίας ανάλυση στερεοδιαταξικών αλλαγών π.χ. κατά την πρόσδεση υποκαταστατών αξιολόγηση υπολογιστικά προσδιορισμένων δομών ταξινόμηση δομών Σελίδα 15

16 Δομική Σύγκριση Ολική Στοίχιση Τοπική Στοίχιση Σελίδα 16

17 Αναπαράσταση πρωτεϊνών Ενδομοριακές αποστάσεις Δομική Σύγκριση Στοιχεία δευτεροταγούς δομής Εντοπισμός κοινών περιοχών μεταξύ των δομών Βελτιστοποίηση της στοίχισης των δομών Σελίδα 17

18 Βαθμολόγηση της στοίχισης Δομική Σύγκριση RMSD 1 N N i 1 2 d i d i Εκτίμηση στατιστικής σημαντικότητας Z-score p-value Σελίδα 18

19 Δομική Σύγκριση DaliLite CE STRUCTAL VAST MAMMOTH-mult FATCAT MISTRAL Σελίδα 19

20 Ταξινόμηση Πρωτεϊνικών Δομών CATH Class βάσει στοιχείων δευτεροταγούς δομής mostly alpha, mostly beta, mixed alpha/beta Architecture προσανατολισμός των στοιχείων δευτεροταγούς δομής Topology (fold family) προσανατολισμός και διασύνδεση των στοιχείων δευτεροταγούς δομής Homologous superfamily κοινή εξελικτική καταγωγή Σελίδα 20

21 Ταξινόμηση Πρωτεϊνικών Δομών SCOP Class Fold βάσει στοιχείων δευτεροταγούς δομής all-α, all-β, α/β, α+β δομική ομοιότητα λόγω της φυσικοχημείας των πρωτεϊνών Superfamily πιθανή κοινή εξελικτική προέλευση Family ξεκάθαρη εξελικτική σχέση Σελίδα 21

22 Ταξινόμηση Πρωτεϊνικών Δομών SCOP2 Protein types soluble, membrane, fibrous, intrinsically disordered Evolutionary events Structural classes all alpha, all beta proteins, a/b, a+b, small proteins Protein relationships Evolutionary relationships, Structural relationships, 'Other' relationships Σελίδα 22

23 Υπολογιστικός Προσδιορισμός Δομής πειραματικός προσδιορισμός δομών κρυσταλλογραφία ακτίνων X πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) χρόνος / κόστος / περιορισμοί sequence - structure gap Ο αριθμός των πειραματικά προσδιορισμένων δομών είναι πολύ μικρότερος του αριθμού των πρωτεϊνικών ακολουθιών. Σελίδα 23

24 Υπολογιστικός Προσδιορισμός Δομής Σελίδα 24

25 Υπολογιστικός Προσδιορισμός Δομής σχεδιασμός πειραμάτων για εύρεση λειτουργίας κατανόηση μηχανισμών λειτουργίας / επίδρασης μεταλλάξεων / γενετικών ασθενειών πρόβλεψη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων σχεδιασμός φαρμάκων μελέτη τρόπου αναδίπλωσης πρωτεϊνών / κατανόηση των αρχών της πρωτεϊνικής αρχιτεκτονικής σχεδιασμός πρωτεϊνών με προκαθορισμένες ιδιότητες / λειτουργία (protein design - protein engineering) Σελίδα 25

26 Υπολογιστικός Προσδιορισμός Δομής secondary structure (δευτεροταγής δομή) solvent accessibility (προσβασιμότητα του διαλύτη) disorder prediction transmembrane segments (διαμεμβρανικά τμήματα) inter-residue/strand contacts (επαφές μεταξύ καταλοίπων) homology or comparative modeling (προτυποποίηση πρωτεϊνών με ομολογία) fold recognition (αναγνώριση διπλώματος) ab initio prediction (απ αρχής πρόγνωση) 3D Σελίδα 26

27 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής βελτίωση στοίχισης ακολουθιών χρήσιμη στην αναγνώριση διπλώματος διαχωρισμός στροφών / πυρήνα πρωτεϊνών ανάθεση στοιχείων δευτεροταγούς δομής (ΣΔΔ) σε πειραματικά προσδιορισμένες δομές DSSP δεσμοί υδρογόνου STRIDE δεσμοί υδρογόνου και γωνίες της κύριας αλυσίδας Σελίδα 27

28 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Εκτίμηση Ακρίβειας Πρόγνωσης Εφαρμογή των μεθόδων σε πειραματικά λυμένες δομές Σύγκριση των αποτελεσμάτων της πρόγνωσης με τα ΣΔΔ Qindex: (Qhelix, Qstrand, Qloop, Q3) Matthews Correlation Coefficient (MCC) Segment Overlap (SOV) Σελίδα 28

29 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Εκτίμηση Ακρίβειας Πρόγνωσης Qindex: (Qhelix, Qstrand, Qloop, Q3) ποσοστό σωστά προβλεφθέντων καταλοίπων π.χ. ΣΔΔ L H H H H H H H H H H L πρόβλεψη L H H H L H H H L H H L Q3 = (10/12)*100% = 83.3% Σελίδα 29

30 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Εκτίμηση Ακρίβειας Πρόγνωσης Segment Overlap (SOV) Είδος και θέση στοιχείων δευτεροταγούς δομής vs ανάθεση διαμόρφωσης ανά κατάλοιπο Φυσική μεταβλητότητα των ορίων των ΣΔΔ σε οικογένειες ομόλογων πρωτεϊνών Ασάφεια στον προσδιορισμό των άκρων των ΣΔΔ λόγω διαφοροποιήσεων στα κριτήρια ανάθεσής τους ΣΔΔ πρόβλεψη Σελίδα 30

31 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Εκτίμηση Ακρίβειας Πρόγνωσης Segment Overlap (SOV) Σελίδα 31

32 1 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Name P(H) P(E) P(t urn) f(i) f(i+ 1) f(i+ 2) f(i+ 3) Alanine Arginine Aspartic Acid Asparagine Cysteine Glutamic Acid Glutamine Glycine Histidine Isoleucine Leucine Lysine Methionine Phenylalanine Proline Serine Threonine Tryptophan Tyrosine Valine Σελίδα 32

33 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής 1 ης γενεάς: Q3 = 50-55% Καταγραφή πιθανοτήτων εύρεσης κάθε αμινοξέος σε συγκεκριμένο ΣΔΔ σε πειραματικά λυμένες δομές Δημιουργία κανόνων πρόγνωσης Ακρίβεια μεθόδου π.χ. αριθμός και ποιότητα των πειραματικά λυμένων δομών ποιότητα κανόνων Chou and Fasman, 1974 GOR-1: Garnier, Osguthorpe, and Robson, 1978 Σελίδα 33

34 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής 2 ης γενεάς Χρήση ενός κυλιόμενου παραθύρου κατά μήκος της ακολουθίας και πρόγνωση του ΣΔΔ στο οποίο βρίσκεται το κεντρικό κατάλοιπο του παραθύρου κυλιόμενο παράθυρο κεντρικό κατάλοιπο T K C Y A V S ακολουθία μήκος παραθύρου Σελίδα 34

35 2 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα μάθηση βάσει εμπειρίας μεταβολή της ισχύος των συνάψεων προσθήκη / διαγραφή συνάψεων Σελίδα 35

36 2 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα Σελίδα 36

37 2 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα αρχιτεκτονική πλήθος νευρώνων / διασυνδέσεις μεταξύ τους οργάνωση νευρώνων κατά στρώματα τρόπος διάδοσης σήματος Σελίδα 37

38 2 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Μάθηση υπό Εποπτεία (Supervised Learning) ΤΝΔ καθορισμένης αρχιτεκτονικής σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης γνωστής τιμής εξόδου (training set) προσαρμογή των συναπτικών βαρών ώστε για συγκεκριμένη είσοδο, η απόκριση του δικτύου να ταυτίζεται με τη γνωστή τιμή εξόδου στόχος: γενίκευση σε σύνολο δεδομένων άγνωστης τιμής εξόδου Σελίδα 38

39 2 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Κωδικοποίηση Δεδομένων Εισόδου 1-out-of-21 (20 αμινοξέα και 1 τέλος ακολουθίας) π.χ. LVA$ ($ = τέλος ακολουθίας) A C D E F G H I K L M N P Q R S T V W Y $ L V A $ Σελίδα 39

40 2 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Σελίδα 40

41 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής 2 ης γενεάς: Q3 < 70% GORIII COMBINE Σελίδα 41

42 3 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Κωδικοποίηση Δεδομένων Εισόδου βάσει πολλαπλής στοίχισης ακολουθιών Η δομή είναι καλύτερα συντηρημένη από την ακολουθία. Για ένα σύνολο ομόλογων ακολουθιών Μεταλλάξεις αμινοξέων Συντήρηση στοιχείων δευτεροταγούς δομής Κωδικοποίηση αμινοξέων βάσει της συχνότητας εμφάνισής τους στο προφίλ της πολλαπλής στοίχισης. Σελίδα 42

43 3 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής βήματα Αναζήτηση ομόλογων ακολουθιών σε βάσεις δεδομένων PSI-BLAST, SAM-T2K Πολλαπλή στοίχιση ακολουθιών και κωδικοποίηση δεδομένων PSSMs, HMM models Πρόγνωση δευτεροταγούς δομής βάσει της πολλαπλής στοίχισης Single methods Consensus methods Σελίδα 43

44 3 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής PHD (Rost et. al.): Q3 = % L N D L E K Y Sequence to Structure Net α α α β α α α α α α α α α α Structure to Structure Net Σελίδα 44

45 3 ης γενεάς Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής JPRED: Consensus Prediction (Συναινετική Πρόβλεψη) Σελίδα 45

46 Πρόγνωση Δευτεροταγούς Δομής Q3 = 72-77% ± 11 % PredictProtein Jpred PSIPRED SOPMA Σελίδα 46

47 Πλήθος διαμορφώσεων Έλλειψη σταθερών ΣΔΔ disorder prediction Μεγάλη επιφάνεια επαφής με άλλες πρωτεΐνες Δέσμευση πολλών μικρών μορίων Εύκολη ρύθμιση της συγκέντρωσης της πρωτεΐνης Ρύθμιση της μεταγραφής και της μετάφρασης Μεταγωγή σήματος Έλεγχος κυτταρικού κύκλου Σελίδα 47

48 disorder prediction πρόβλεψη αναγνώριση λειτουργικών περιοχών προσδιορισμός περιοχών που εμποδίζουν την κρυστάλλωση των πρωτεϊνών Database of Protein Disorder (DisProt) PONDR DISOPRED2 RONN metaprdos Σελίδα 48

49 Διαμεμβρανικές Πρωτεΐνες Στους παθογόνους μικροοργανισμούς μόρια στόχοι για την αναστολή της θρέψης διαμεσολαβητές πρόσληψης φαρμάκων Στα θηλαστικά σχετίζονται με σοβαρές γενετικές ασθένειες καθορίζουν την αποδοτικότητα διαφόρων φαρμάκων

50 Διαμεμβρανικές Πρωτεΐνες μεγάλο ποσοστό υδρόφοβων αμινοξέων δυσκολίες στον πειραματικό προσδιορισμό των διαμεμβρανικών δομών Nobel Prize in Chemistry 2003: Peter Agre & Roderick MacKinnon for discoveries concerning channels in cell membranes έμμεσοι τρόποι δομικών μελετών Γενετική, Βιοχημεία, Μοριακή Βιολογία πρόβλεψη διαμεμβρανικών περιοχών Σελίδα 50

51 Διαμεμβρανικές Πρωτεΐνες διαμεμβρανικές α-έλικες διαμεμβρανικά β-βαρέλια Σελίδα 51

52 Διαμεμβρανικές Πρωτεΐνες TMHMM MetaTM TMBpro Σελίδα 52