6. előadás Prof. Poppe László BME Szerves Kémia és Technológia Tsz. Bioinformatika proteomika Előadás és gyakorlat 2018.10.08.
PDBj: http://www.pdbj.org/ Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - PDBj 2 2018.10.08.
PDBj: http://www.pdbj.org/ Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - PDBj 3 2018.10.08.
PDBe: http://www.ebi.ac.uk/pdbe/ Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - PDBe 4 2018.10.08.
PDBe: http://www.ebi.ac.uk/pdbe/ Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - PDBe 5 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - RCSB 6 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - RCSB 7 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - RCSB 8 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - RCSB 9 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezeti adatbázisai - RCSB 10 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezete - felbontás Első három példa: Tyr103 mioglobin 1a6m (1.0 Å felbontás), 106m (2.0 Å felbontás), 108m (2.7 Å felbontás). Utolsó példa: Tyr103 hemoglobin (B lánc) 1s0h (3.0 Å felbontás). A nagyfelbontású (~ 1.0 Å) szerkezet pontos atomi poziciókat ad. A 3 Å vagy az alatti felbontás csak a fehérje alapkontúrját adja, az egyes atomi pozíciók már nem biztosak. 11 2018.10.08.
PDB fájl: http://www.wwpdb.org/documentation/format32/v3.2.html Fehérjék 3D szerkezeti leírása - PDB Fejléc változatos adatok Atomi koordináták - aminosavak Atomi koordináták 12 2018.10.08. - nem Bioinformatika aminosavak2
Fehérjék 3D szerkezeteinek elemzése A szerkezet minőségének elemzése Az egyes szerkezeti motívumok felismerése, szerkezeti és funkcionális jelentőségük A működés mechanizmusának részletes megértése Stb.. 13 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezeteinek elemzése A kísérleti (PDB) szerkezetek is részben tökéletlenek, hibákat tartalmaznak. A predikciókkal / modellezéssel nyert szerkezetek még pontatlanabbak lehetnek. Fehérjeszerkezetek minőségi vizsgálatának szempontjai: Fehérjetulajdonságok: Ramachandran plot: és szögek eloszlása (nincs-e aminosav a tiltott zónában, stb.); oldalláncok környezete jó-e, a hidrofób belső kitöltése (packing) megfelelően szoros-e, stb. Kémiai szerkezet: Megvan-e az összes atom, nincs-e lánc hasadás, stb. Sztereokémia: A kötéshosszak, kötésszögek, torziós szögek megfelelnek-e az elvárható (a jó szerkezetek átlagából számított) értékeknek? Nincsenek-e atomi ütközések? Programok: PROCHECK, WHAT_CHECK, Anolea, 14 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezete RCSB saját validálás 15 2018.10.08.
RCSB PDB: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do Fehérjék 3D szerkezete RCSB saját validálás 16 15 2018.10.08.
Szekunder szerkezet Főlánc konformációk A polipeptid lánc első megközelítésben két megengedett konformációt vehet fel: A savamid kötések (...) az egynél nagyobb kötésrend miatt nem rotálnak szabadon (planárisak). Az α-hélix ( = -47, = -56 ) az egyik, a β-redő ( = -140, = 140 ) a másik fő elrendeződés. A - szögek viszonyát a fehérje egyes aminosavaira ábrázolva diagram készíthető -> Ramachandran plot (megengedett - kombinációk energetikai és PDB statisztikai alapokon 17 2018.10.08.
Ramachandran,G.N.; Sassiekharan.V. Adv. Protein. Chem., 1968, 28, 283-437. Szekunder szerkezet - Ramachandran plot 18 2018.10.08. A legtöbb kivétel (PDB kód: 2ACY) jól látható módon a flexibilis Gly egységekhez rendelhető.
Fehérjék 3D szerkezetvizsgálata - WhatIf 19 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezetvizsgálata - WhatIf 20 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezetvizsgálata - WhatIf 21 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezete - PROCHECK 22 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezete - PROCHECK 23 2018.10.08.
Fehérjék 3D szerkezete - PROCHECK 24 2018.10.08.
Másodlagos szerkezet hozzárendelés Hogyan rendelhetőek a másodlagos szerkezeti elemek egy meghatározott térszerkezethez? Másodlagos szerkezet -> a, szögek alapján (nem megbízható) Bevált módszer: a H-kötés mintázat alapján (pl. -hélixek: n --> n+4 H kötések, stb.) Standard módszer: DSSP program (és adatbázis: http://swift.cmbi.kun.nl/gv/dssp/) Jelölések: H: Hélix, E: Béta szál, S: görbület, G: 3 10 hélix, stb. 25 2018.10.08.
Laskowski R A, Swindells M B (2011). LigPlot+: multiple ligand-protein interaction diagrams for drug discovery. J. Chem. Inf. Model., 51, 2778-2786. LIGPLOT+: http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/software/ligplus/ Kölcsönhatás ligandumokkal LIGPLOT+ 26 2018.10.08.
LIGPLOT+ : http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/software/ligplus/ Kölcsönhatás ligandumokkal LIGPLOT+ H kötések és hidrofób felszínek megjelenítése 27 2018.10.08.
PDBe motif: http://www.ebi.ac.uk/pdbe-site/pdbemotif/ Kölcsönhatás ligandumokkal PDBe motif 28 2018.10.08.
PDBSum: http://www.ebi.ac.uk/pdbsum/ PDB 3D vizuális elemzés PDBSum 29 2018.10.08.
PDBSum: http://www.ebi.ac.uk/pdbsum/ PDB 3D vizuális elemzés PDBSum 30 2018.10.08.
PDBSum: http://www.ebi.ac.uk/pdbsum/ PDB 3D vizuális elemzés PDBSum 31 2018.10.08.
Felszínek megjelenítése töltésviszonyok A fehérje felszínén és környezetében Poisson Boltzmann módszerrel számítható az elektrosztatikus potenciál: pl. DELPHI program. Megjelenítés pl. VebLabViewer 32 2018.10.08.
Üregek megjelenítése ligandumok A fehérje üregein belül is számítható az elektrosztatikus potenciál: Pl. Az acetilkolin észteráz (2ACE) szerkezetén belül látható a 33 2018.10.08. szubsztrátot megkötő Bioinformatika üreg 2
CATH: http://www.cathdb.info/ Fehérjék szerkezeti osztályzása CATH adatbázis 34 2018.10.08.
CATH: http://www.cathdb.info/ Fehérjék szerkezeti osztályzása CATH adatbázis 35 2018.10.08.
CATH: http://www.cathdb.info/ Fehérjék szerkezeti osztályzása CATH adatbázis 36 2018.10.08.
CATH: http://www.cathdb.info/ Fehérjék szerkezeti osztályzása CATH adatbázis 37 2018.10.08.
CATH: http://www.cathdb.info/ Fehérjék szerkezeti osztályzása CATH adatbázis CATH: 1997 óta több új arhitektúrát találtak 38 2018.10.08.
SCOP: http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/data/scop.b.html Fehérjék szerkezeti osztályzása SCOP adatbázis 39 2018.10.08.
SCOP: http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/data/scop.b.html Fehérjék szerkezeti osztályzása SCOP adatbázis 40 2018.10.08.
Fehérjék szekvenciái - szerkezetei Gének száma (Gene): ~202 000 000 (WGS): ~488 000 000 (2017. július) Protein szekvenciák száma (UniProtKB): ~90 500 000 (2017. október) A biológiai szekvenciák száma sokkal gyorsabban nő, mint az ismert fehérje szerkezetek száma. PDB szerkezet: ~131 000 (2017. október) 41 2018.10.08.
Térszerkezet előrejelzés bonyolultsága Általános cél: határozzuk meg egy adott fehérje(szekvencia) azon konformációját, amelyhez a szabadentalpia globális minimuma tartozik. Kisebb modellek segítségével igazolható, hogy a feladat ún. NP nehéz, azaz a megoldáshoz szükséges idő a (fehérje)mérettel nempolinomiális függvény szerint (hanem gyorsabban) növekszik (tehát a probléma adott mérethatár fölött nem megoldható.) A valós fehérjék esetében a probléma legtöbbször kezelhető, mert a valós fehérjék szekvenciái meglehetősen specifikusak (evolúció során kiválogatódtak); a predikcióhoz tudásbázisként felhasználhatjuk a már ismert térszerkezeteket 42 2018.10.08.
Térszerkezet funkció előrejelzés problémái Ortológia: Az X gén funkciója megmarad, miután a szervezet két fajra vált szét. Paralógia: Az X gén először duplikálódik, majd mutációk után új eltérő funkcióik alakulnak ki. A paralóg géneket tartalmazó szervezet két fajra válhat szét úgy, hogy kölcsönösen a másik faj ortológját és paralógját is tartalmazzák. 43 2018.10.08.
Térszerkezet előrejelzés fő módszerei Homológia modellezés (komparatív modellezés): ha található ismert térszerkezetű, a vizsgált szekvenciával elegendően nagy azonossággal (> 20%) rendelkező homológ, akkor annak térszerkezete alapján a vizsgált szekvencia térszerkezete modellezhető Tekeredés felismerés (fold recognition): ha található az ismert térszerkezetek között a vizsgált szekvenciával alacsony szekvenciaazonosságot mutató ám kompatibilis tekeredés, akkor homológia modellezéssel erre is készíthető szerkezet. Ab initio predikció: ismert térszerkezetű fehérjével nincs megfelelő szekvenciaazonosság és kompatibilis tekeredés sem található. A térszerkezet előrejelzése ekkor fizikai elvek felhasználásával kísérelhető meg. 44 2018.10.08.
Térszerkezet előrejelzés fő módszerei A szekvencia összevetése ismert 3D szerkezetű fehérjék szekvenciáival Van-e legalább 20-30 %-os szekvencia egyezés? igen Homológia modellezés nem Tekeredés felismerés Atomi szintű modell Van-e a szekvenciával összevethető tekeredés? igen Ab initio módszer nem Kisméretű a fehérje? Nem megoldható a probléma 45 2018.10.08. nem igen
Térszerkezet előrejelzés - CASP A térszerkezet előrejelzés Critical Assessment of techniques for protein Structure Prediction (CASP) kétévente megtartott verseny (jelenleg a CASP 8 értékelése folyik). Ez egyúttal a fehérjék térszerkezet predikcióra alkalmazható módszerek kritikai értékelése is. A résztvevők még nem ismert, de NMR ill. Röntgenkrisztallográfi segítségével hamarosan meghatározott szerkezetű fehérjék szekvenciái alapján modellezik a szerkezeteket, melyeket a később megjelenő kísérleti szerkezetekkel összevetve értékelik. CASP1 (1994), CASP2 (1996), CASP3 (1998), CASP4 (2000), CASP5 (2002), CASP6 (2004), CASP7 (2006), CASP8 (2008)... CASP13 (2018) CAFASP1 (1998), CAFASP2 (2000): Fully Automated (FA) teljesen automatikus módszerek A fehérjék tercier szerkezetének előrejelzésére alapvetően két lehetőség / módszer van: a templát alapú modellezés, ahol megfelelő templát azonosítható és használható a modellezés során és a templátmentes modellezés, ahol nem azonsítható megfelelő templát. 46 2018.10.08.
CASP: http://predictioncenter.org/ Térszerkezet előrejelzés CASP eredmények 47 2018.10.08.
CASP: http://predictioncenter.org/ Térszerkezet előrejelzés CASP12 48 2018.10.08.