Μέθοδοι μελέτης εξέλιξης

Transcript

1 H διερεύνηση της μοριακής βάσης της εξέλιξης βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη διευκρίνιση της διαδικασίας με την οποία μετασχηματίσθηκαν στη διάρκεια της εξέλιξης πρωτεϊνες, άλλα μόρια και βιοχημικές πορείες Σύγκριση δομής και αλληλουχίας μεταξύ βιομορίων: Η μοριακή Αρχαιολογία της Βιοπληροφορικής με την οποία διερευνάται η βιοχημική εξέλιξη και κατατάσσονται τα βιομόρια σε οικογένειες πρωτεϊνών με κοινό πρόγονο. Το ασφαλέστερο κριτήριο για την κατάταξη πρωτεινών σε οικογένειες είναι η ομοιότητα στην τριτοταγή δομή, ελλείψει όμως μεγάλου αριθμού γνωστών δομών η σύγκριση γίνεται βάσει των αλληλουχιών για τις οποίες υπάρχει τεράστιος όγκος πληροφοριών. Bασικός στόχος: Ο εντοπισμός ομολογιών σε αλληλουχίες και δομές για τη μελέτη της εξέλιξης, αλλά και την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη λειτουργία μιας πρωτεΐνης με βάση τη λειτουργία ομόλογής της από άλλο οργανισμό ΣΤ-1

2 Μέθοδοι μελέτης εξέλιξης Απολιθώματα Σύγκριση rrnas Σύγκριση πρωτεινικών αλληλουχιών και δομών και κωδικοποιουσών αλληλουχιών ορθόλογων γονιδίων Κυτταρική μορφολογία (πυρήνας, ενδομεμβράνες) ΣΤ-2

3 Οι ομόλογες μορφές παρουσιάζουν συχνά μεγάλη ομοιότητα στη νουκλεοτιδική ή αμινοξική αλληλουχία και πάντα στην τριτοταγή δομή Ομόλογες ως προς την αλληλουχία μορφές βιομορίων έχουν μεγάλη πιθανότητα να: προέρχονται από κοινό πρόγονο να παρουσιάζουν ομοιότητες στη δομή, τη λειτουργία και το μηχανισμό των διαδικασιών στις οποίες συμμετέχουν Διακρίνονται σε: Παράλογα: Από το ίδιο είδος Ορθόλογα: Από διαφορετικό είδος ΣΤ-3

4 Έχουν κοινό πρόγονο Ριβονουκλεάση βοός Ορθόλογα Παράλογα Ριβονουκλεάση ανθρώπου Αγγειογενίνη ανθρώπου ΣΤ-4

5 Η αντιστοίχηση αλληλουχιών βασικό εργαλείο για τον εντοπισμό ομολογιών Στόχος: Η παράλληλη διάταξη δύο ή περισσότερων αλληλουχιών, έτσι ώστε όσο περισσότερα ομοειδή αμινοξέα να βρίσκονται στην ίδια θέση (στοιχημένα) ΣΤ-5

6 Καλύτερη στο αμινοτελικό τμήμα Καλύτερη στο κεντρικό τμήμα ΣΤ-6

7 Στην στοίχηση μπορούν να προστεθούν κενά Η στοίχηση βελτιώνεται αν προστεθούν κενά Ταυτότητα αμινοξέων στην ίδια θέση: 38/147=25.9% ΣΤ-7

8 Η πιθανότητα σημαντικής ομολογίας προσδιορίζεται βάσει κριτηρίων-βαθμολόγηση αντιστοιχησης (Alignment score) Η ποιότητα μιας αντιστοίχησης, δηλ. η στατιστική σημαντικότητά της εκτιμάται από ένα «βαθμό», που υπολογίζεται με βάση: τον αριθμό ταυτόσημων αμινοξέων στην ίδια θέση (ταύτισηidentity) τον αριθμό και το είδος συντηρητικών υποκαταστάσεων, δηλ. τον αριθμό παρόμοιων αμινοξέων στην ίδια θέση (ομοιότητα-similarity) με βάση πίνακες υποκαταστάσεων Τον αριθμό και την έκταση κενών (gaps) Όσο μεγαλύτερη η ταυτιση και η ομοιότητα και όσο μικρότερος ο αριθμός κενών τοσο μεγαλύτερος ο βαθμός. Όσο μεγαλύτερος ο βαθμός τόσο καλύτερη η αντιστοίχηση και πιθανότερη η ομολογία μεταξύ πρωτεϊνών ΣΤ-8

9 Υπάρχουν συντηρητικές και δραστικές υποκαταστάσεις Δραστική μετάλλαξη: E σε V-δρεπανοκυτταρική αναιμία Ήπια μετάλλαξη: G σε Α ΣΤ-9

10 Υπαρχουν διαφορα συστηματα βαθμολογησης π.χ. Blosum Πίνακας υποκαταστάσεων 2. Αρνητική βαθμολόγηση α. Για έναρξη κενών -2 β. Για κάθε επιπλέον κενο -2 ΣΤ-10

11 C S T P A G N D E Q H R K M I L V F Y W C S T P A G N D E Q H R K M I L V F Y W HFTR--TNMTFRWP Ταυτόσημα αα: 5/14 = 35.7% NFYRGLNNTG-RWF Βαθμός (score): =20 ΣΤ-11

12 Πότε είναι δυνατό η πολλαπλή αντιστοίχηση να οδηγήσει στην εξαγωγή συμπερασμάτων για την ύπαρξη εξελικτικής συγγένειας; Για ταυτιση >25% η ύπαρξη εξελικτικά σημαντικής ομολογίας θεωρείται σχεδόν σίγουρη Για ταυτιση <15% η ομολογία δεν μπορεί να οδηγήσει σε συμπεράσματα για εξελικτική σχέση Για ταυτιση μεταξύ 15 and 25% απαιτείται περαιτέρω ανάλυση και συνδυασμός με άλλα ευρήματα ΑΛΛΑ.. Έλλειψη στατιστικά σημαντικής ομοιότητας δεν αποκλείει αυτόματα την πιθανότητα ύπαρξης ομολογίας! ΣΤ-12

13 ΣΤ-13

14 Η εξελικτική συγγένεια μεταξύ ομολόγων πρωτεϊνών απεικονίζεται με τα φυλογενετικά δένδρα Τα φυλογενετικά (εξελικτικά δένδρα) κατασκευάζονται βάσει μιας διαδικασίας, που περιλαμβάνει την Αντιστοίχιση, τη Χρονολόγηση με βάση απολιθώματα κλπ Ο αριθμός αμινοξέων που διαφέρουν μεταξύ των ομολόγων είναι ανάλογος με τη φυλογενετική διαφορά μεταξύ των ειδών από τα οποία προέρχονται οι ομόλογες πρωτεΐνες Τα φυλογενετικά δένδρα χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της μοριακής εξέλιξης ΣΤ-14

15 Η τριτοταγής δομή είναι πιο συντηρημένη από την πρωτοταγή!!!! Ανάλυση της τριτοταγούς δομής αποκαλύπτει εξελικτικές σχέσεις μεταξύ πρωτεϊνών που συχνά δεν θα μπορούσαν να εντοπισθούν με άλλο τρόπο. Η σύγκριση των τριτοταγών δομών οδηγεί στη διαμόρφωση «αλληλουχιών-εκμαγείων» (sequence templates) που περιλαμβάνουν τα συντηρημένα αμινοξέα με δομικά και λειτουργικά μεγάλη σημασία και συνιστούν τα «δακτυλικά αποτυπώματα» πρωτεϊνικών οικογενειών. ΣΤ-15