Molekuláris / Mikrobiális rátermettség tájképek Kun Ádám

Hasonló dokumentumok
AZ ÉLET KELETKEZÉSE egy kis kémia a biológiához

RNS tájképek. ELTE Növényrendszertani, Ökológia és Elméleti Biológia Tanszék Dr. Kun Ádám tudományos főmunkatárs

A metabolikus szindróma epidemiológiája a felnőtt magyar lakosság körében

RNS-ek. 1. Az ősi RNS Világ: - az élet hajnalán. 2. Egy már ismert RNS Világ: - a fehérjeszintézis ben résztvevő RNS-ek

transzláció DNS RNS Fehérje A fehérjék jelenléte nélkülözhetetlen minden sejt számára: enzimek, szerkezeti fehérjék, transzportfehérjék

TRANSZGÉNIKUS NIKUS. GM gyapot - KÍNA. GM szója - ARGENTÍNA

Evolúcióbiológia. Biológus B.Sc tavaszi félév

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

A fehérjék térszerkezetének jóslása (Szilágyi András, MTA Enzimológiai Intézete)

Elválasztástechnikai és bioinformatikai kutatások. Dr. Harangi János DE, TTK, Biokémiai Tanszék

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Intelligens Rendszerek Elmélete. Párhuzamos keresés genetikus algoritmusokkal

Nukleinsavak építőkövei

Létesítményi energetikus Energetikus Megújuló energiaforrás Energetikus.

Mesterséges Intelligencia I. (I602, IB602)

LEADER Program: partnerségben

A rák, mint genetikai betegség

KÖZGAZDASÁGTAN I. Készítette: Bíró Anikó, K hegyi Gergely, Major Klára. Szakmai felel s: K hegyi Gergely június

Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis

I. A sejttől a génekig

DER (Felületén riboszómák találhatók) Feladata a biológiai fehérjeszintézis Riboszómák. Az endoplazmatikus membránrendszer. A kódszótár.

12/4/2014. Genetika 7-8 ea. DNS szerkezete, replikáció és a rekombináció Hershey & Chase 1953!!!

8. A fehérjék térszerkezetének jóslása


DNS, RNS, Fehérjék. makromolekulák biofizikája. Biológiai makromolekulák. A makromolekulák TÖMEG szerinti mennyisége a sejtben NAGY

Fehérje-fehérje kölcsönhatások és kölcsönhatási hálózatok. Szilágyi András

Bevezetés a bioinformatikába. Harangi János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék

Transzláció. Szintetikus folyamatok Energiájának 90%-a

Közgazdaságtan 1. ELTE TáTK Közgazdaságtudományi Tanszék. 3. hét A KERESLETELMÉLET ALAPJAI. HASZNOSSÁG, PREFERENCIÁK

Az emberi. Fekete-Kert. Ildikó

Kromoszómák, Gének centromer

Antiszenz hatás és RNS interferencia (a génexpresszió befolyásolásának régi és legújabb lehetőségei)

Genetikus algoritmusok

alkalmazások az Intelligens otthon témában

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

A fehérjék térszerkezetének jóslása

ELŐADÁS ÁTTEKINTÉSE 6. ea.: Projekttervezés III.

Szénhidrátkémiai kutatások bioinformatikai esetek. Dr. Harangi János DE, TTK, Biokémiai Tanszék

Poligénes v. kantitatív öröklődés

[S] v' [I] [1] Kompetitív gátlás

TÉMAKÖRÖK. Ősi RNS világ BEVEZETÉS. RNS-ek tradicionális szerepben

Metabolikus replikátor modell koncepció Könnyű Balázs

PÁLYA NAP. Elek István: szegedi pályp fejlesztései. sei. Szeged, április 10.

TEMATIKA Biokémia és molekuláris biológia IB kurzus (bb5t1301)

Sodródás Evolúció neutrális elmélete

Algoritmusok Tervezése. 9. Előadás Genetikus Algoritmusok Dr. Bécsi Tamás

Gyógyszerrezisztenciát okozó fehérjék vizsgálata

az Excel for Windows programban

Közgazdaságtan 1. ELTE TáTK Közgazdaságtudományi Tanszék. 4. hét A KERESLETELMÉLET ALKALMAZÁSAI

További programozási esetek Hiperbolikus, kvadratikus, integer, bináris, többcélú programozás

Elengedhetetlen a játékokban, mozi produkciós eszközökben Nélküle kvantum hatás lép fel. Az objektumok áthaladnak a többi objektumon

lyeztetési folyamatok a robotsebészetben

Szelekció. Szelekció. A szelekció típusai. Az allélgyakoriságok változása 3/4/2013

Helyzetfelismerı és. vizsgálata. - Eddigi tanulmányok. nyok. - Internetes oldalak. Nem a képessk

Magyar Tudomány. Egy halhatatlan biológus: charles darwin vendégszerkesztő: Szathmáry Eörs

Számítógépes döntéstámogatás. Genetikus algoritmusok

Biológus MSc. Molekuláris biológiai alapismeretek

13. RNS szintézis és splicing

BIOLÓGIA HÁZIVERSENY 1. FORDULÓ BIOKÉMIA, GENETIKA BIOKÉMIA, GENETIKA

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

Bevezetés a biológiába. Környezettan Bsc. Szakos hallgatóknak


Programozási módszertan. Mohó algoritmusok

A munkanélk polarizálts. gon. Lıcsei. Hajnalka. Budapest, 2010 nov. 27. Tudományegyetem. nyegyetem,, Budapest

Az emberi környezethasznk. rnyezethasználat fajtái

gi- kapcsolati tért Politikai identitás Lengyelország: ntések, amelyek Geopolitikai szemléletm letmód Csehország:

Imperatív programozás

Gyakorlati bioinformatika

A talajok vízgazdv. mozgékonys eloszlása sa jellemzi, kenységgel, termékenys. aktivitását

Operációkutatás. Vaik Zsuzsanna. Budapest október 10. First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

Feladatok haladóknak

Felhasználói kézikönyv

Tételes finanszíroz. rozási adatok. informatikai kérdk. Dr. Vassányi István,

és se tréning program depressziós s gyermekek számára Kiss Enikő SZTE Gyermekpszichiátria Osztály

Kötések kialakítása - oktett elmélet

Szimulációk egyszerősített fehérjemodellekkel. Szilágyi András

MESTERSÉGES INTELLIGENCIA

Kriptográfia Tizedik előadás SHA, Whirlpool, HMAC és CMAC

DNS-szekvencia meghatározás

Semmelweis Egyetem / Élettani Intézet / Budapest. Bioinformatika és genomanalízis az orvostudományban. Szekvenciaelemzés. Cserző Miklós 2017

Hang terjedési sebességének meghatározása állóhullámok vizsgálata Kundt csőben

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

Korai replikátorok együttélése és evolúciója Könnyű Balázs

Komplex munkaerőpiaci integráci. ciós s programok magyarországi gi tapasztalatai. Kellermann Éva csadó január r 31.





Fázisátalakulások. A víz fázisai. A nem közönséges (II-VIII) jég kristálymódosulatok csak több ezer bar nyomáson jelentkeznek.

Konzulensek: Mikó Gyula. Budapest, ősz

Bevezetés s a szemantikus technológi

KÖTÉLSZERKEZETEK. Különleges Tartószerkezetek Hegyi Dezső Jegyzet kézirat v1 Kötélszerkezetek

Programozási módszertan. Dinamikus programozás: A leghosszabb közös részsorozat

Az aktív tanulási módszerek alkalmazása felerősíti a fejlesztő értékelés jelentőségét, és új értékelési szempontok bevezetését veti fel a tudás

GAZDASÁGI STATISZTIKA

3. Sejtalkotó molekulák III.

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

szerzett tapasztalataink

Átírás:

Molekuláris / Mikrobiális rátermettség g tájkt jképek Kun Ádám

Rátermettség g tájkt jkép Minden genotípushoz rendeljünk nk egy fenotípust Minden fenotípushoz rendeljünk nk egy valós számot, ami a rátermettsr termettsége A genotípusok közötti k távolst volság g a Hamming távolság A tájkép magassága maga a rátermettsr termettség

Miért jók j k a molekuláris / mikrobiális tájkt jképek? Gyors szaporítás/szaporod s/szaporodás Környezet jobbára állandósítható Nincs (korlátozott) az egyedfejlődési zaj A genotípus és/vagy fenotípus mérhető A rátermettsr termettség g mérhetm rhető

Molekuláris rátermettsr termettség g tájkt jkép Enzimek aktivitása kihat az egyed rátermettségére. re. Az enzim aktivitás s könnyen k mérhetm rhető (az egyed rátermettsr termettsége nem) Az enzimek könnyen k mutálhat lhatóak ak és szaporíthatóak Az enzimek fenotípusa a 3D szerkezetük

Legegyszerűbb tájkt jkép rátermettség Fentipusos jelleg

Fuji hegy tájkt jkép rátermettség Fentipusos jelleg

Két t csúcs rátermettség Fentipusos jelleg

Mi van ha 3D-t t nézünk? n nk?

RNS másodlagos m struktúra ra Neurospora VS ribozim 144 nukleotid hosszú

RNS másodlagos m szerkezet Bázispárok számától l függ f a szabadenergia. Dinamikus optimalizáci ció a bázispb zispárok számának maximalizálására (energia minimalizálására) A bázispb zispárok energetikáját t kísérletesen k vizsgálj lják

RNS másodlagos m szerkezet meghatároz rozás Szekvencia R=r 1, r 2, r 3,..., r n ; ahol r i {A,C,G,U} Másodlagos szerkezet S = i.j bázispárok rendezett halmaza 1. 1 i < j N 2. j - i>3 3. i.j és k.l bázispárokra (i<k) igaz az egyik: a) i=k és j=l (ugyanaz a bázispár) b) i<j<k<l (egymás után jönnek) c) i<k<l<j (i.j magába foglalja k.l-t) Keressük a legalacsonyabb energiájú (vagy ahhoz közeli) szerkezetet, feltehetően ez a másodlagos szerkezete egy RNS molekulának

Másodlagos szerkezet energiája A srtruktúra energiája a hurkok energiájától függ Bármely struktúra egyértelműen felbontható m+1 (m a bázispárok száma) hurokra hajtűkanyar halmozódó bázispár kitüremkedés belső hurok elágazás A struktúra energiája, így az egyes hurkok energiájának összege m e L E S i 0 i

Szerkezet a fenotípus A másolm solási si sebesség, vagy az enzimatikus aktivitás s a struktúrától függ. Egy RNS molekula fenotípusa nem a bázissorrend, hanem a struktúra. ra. 4 N szekvencia lehetséges, mennyi struktúra? ra? Hogyan határozzuk meg a struktúrát

RNS tájkt jképek Kémiailag és s fizikailag megalapozott genotípus pus-fenotípus térkép Ilyen máshol m még m g nincs a biológi giában

RNS tájkt jképek tulajdonságai I Körülbelül l 2.35 N struktúra, ra, azaz egy struktúrához több t szekvencia tartozik. Kevés s mutáci ció (1-3) általában nem változtatja meg a struktúrát Ha van egy kompatibilis szekvenciánk, nk, akkor az átlagosan 7.2 mutáci cióval olyanná alakíthat tható,, hogy kívánt k MFE struktúrája legyen

RNS tájkt jképek tulajdonságai II Mesterkópia: AUCGUCUGUCGGCGAU Mutáns: GCAUGACUCAUUAUGC Azonos struktúra Azonos fitness Semleges utak a tájképen Az utak 21.7%-a perkolál

Gyakoribb struktúrák (((((...)))))... ((((((...))))))......((((((...))))))...(((((...))))) ((((((...))))))......(((((...))))). (((((((...)))))))......((((((...)))))).(((((...)))))......(((((((...))))))) (((((((...)))))))......(((((((...)))))))...((((((...))))))..((((((...))))))... ((((((...))))))... 0.014641 0.012883 0.011643 0.010716 0.009548 0.007631 0.007611 0.007594 0.007503 0.007433 0.007084 0.006633 0.006577 0.006296 0.006246

Gyakoribb struktúrák Struktúra osztály gyakoriság (darab) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1 10 100 1000 10000 Gyakoriság rang (logaritmikus)

RNS tájkt jképek tulajdonságai III Vannak gyakoribb struktúrák A szekvenciák k zöme z gyakori struktúrát vesz fel (evolválódott ribozimek gyakoriak) ribozimek minden bizonnyal A struktúrák k zömét z t csekély számú szekvencia veszi fel Minden szekvencia körüli k kb. 20 mutáci cióval elérhet rhető gömbön n belül l minden gyakori struktúra ra elérhet rhető

Ribozimok rátermettsr termettség g tájkt jképe A rátermettsr termettség g tájkt jkép kísérletes adatokra épül Rátermettség g tájkt jképek általános szerkezetének vizsgálata Feltételezz telezzük, hogy az enzimaktivitás arányos a rátermettsr termettséggel (protosejt sejt)

Mely ribozimok jöhetnek j szóba? 1. Jól l karakterizált Csak a természetes ribozimok teljesítik ezt a kritériumot 2. Nem túl t l hosszú (pra praktikus ok) Az I-es és II-es csoportbeli intronok kiesnek 3. Nem lehet a transz ható enzim szerkezetben pszeudo eudo-csomó (algoritmus követelménye) Hepatitis Delta Virus kiesik e miatt Neurospora VS Ribozyme, Hairpin, Hammerhead

Neurospora Varkund Satellit Ribozim IV V N = 144 5 3 c a ugaaauug -U- CguAgCAGU U u g acuuuaac GUaUUGUCA C U ug G A 710 670 U G 700 C-G U A U C-G III A-U C-GA 660 U-A A gcgguaguaagc AgGA A 720 650 730 740 C-G GCU AA GUG-A-CGGuAuUggc g uaagag cguucg-ccc u GAACACGA CAC GUUaUgAcug a GAC a 640 780 II 680 770 A pozíciók 83/144 (57%) mutálva van, mi összesen 183 mutánst vettünk figyelembe 690 760 VI 750

VS Ribozim: mutáci ciós s kísérletekk 144 nukleotidból 87-en végeztek mutációs kísérletet Összesen 183 mutánst vizsgáltak

VS Ribozim Elágazások fontosak Aktív hely Hossz nem fontos Hossz nem fontos Kitüremkedés nem lehet a másik száron, de törölhető Szubsztrát kötés

Hajtűkanyar ribozimim N = 50 5 3 H1 H2 H3 H4 1 10 aaacagagaagucaaccag A G A A 30 A C A CACG loop A loop B AUGGUc C AUUAUAUG GUG u u 50 20 40 A pozíciók 39/50 (78%) mutálva van, összesen 142 mutáns vettünk figyelembe

Ribozimokkal kapcsolatos általános megfigyelések 1. A szerkezet a fontos, nem az egyedi bázispb zispárok 2. A szerkezet kissé változtatható 3. Vannak kritikus helyek 4. A tájkt jkép multiplikatív (lehet hogy van egy gyenge szinergia)

Mutáci ció fajtái Semleges mutáns Kritikus hely Rontó mutáci ció Visszaáll llító

Általános funkcionalitás s tájkt jkép Rendeljen minden lehetséges 4 N szekvenciához egy relatív v enzimaktivitást I. Kompatibilis szerkezet II. Hibás s bázispb zispár III.Kritikus helyek IV. Jósolt struktúra ra sequence structure misspair critical energy

Többszörös s mutáci ciók k kérdk rdése Legegyszerűbb feltevés, hogy a hatások függetlenekf A kevés s rendelkezésre álló adatból l ez nagyjából l igaznak vehető.. Van egy kis pozitív v hatás s (azaz a 2. mutáci ció negatív hatása kisebb, mint várnánk) nk) Measured activity 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Equation: y = a*x^b Chi^2/DoF = 0.00617 R^2 = 0.96299 a 1.10171 ±0.0598 b 0.90554 ±0.10992 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Calculated activity

I. Kompatibilis szerkezet A célstruktc lstruktúrának megfelelő bázis-párok mindegyike legtöbbje ki tud-e e alakulni? Néhány hibás s pár p (rosszul párosp rosított bázispár) megengedhető, de Nem lehet kettő ilyen egymás s mellett Nem lehet egy régir gióban kettőnél l többt A structure a szekvenciával val kompatibilis struktúrának megfelelő aktivitás.

II. Hibás s bázispb zispárok Minden megengedett hibás s bázisb zis-pár csökkenti az aktivitást Az elhelyezkedésükt ktől l függf ggően más m s hatásuk lehet az egyes hibás s pároknakp misspair misspair, i

III. Kritikus helyek Minden lehetséges nukleotidhoz rendelünk nk aktivitást ezeken a helyeken. critical critical, i

IV. Jósolt szerkezet A 2D szerkezet meghatároz rozása. Package) sa. (Vienna RNA Elfogadjuk, ha a célszerkezetbe c tekeredik. A MFE nem biztos, hogy a kísérletesen k meghatározott másodlagos m szerkezet

A tájkt jkép p tulajdonságai 1 Neurospora VS Ribozyme 1 Hairpin Ribozyme fraction of all mutants 0.1 0.01 1E-3 1E-4 1E-5 Perfect ribozyme Functional ribozyme 0 1 2 3 4 5 6 7 # of mutation from the original sequence fraction of all mutants 0.1 0.01 1E-3 1E-4 1E-5 Perfect ribozyme Functional ribozyme 0 1 2 3 4 5 6 7 # of mutation from the original sequence = 0.26 = 0.22

Mozgás s a tájkt jképen

Moran folyamat Populáci ció méret állandó. Átfedő generáci ciók Haláloz lozás s véletlenszerv letlenszerű,, szaporodás rátermettségarányos Rátermettség g arányosan kiválasztunk egy egyedet. Ő fog szaporodni. Egy véletlen v szerint választott v egyed meghal, a helyébe szaporodik.

Szuboptimális maximum 1 bázispb zispárban van eltérés! Minden lehetséges mutáci ció ebben a párban tovább rontja a másodlagos szerkezetet

Rátermettség g tájkt jképek és s populáci ció méret Nagy populáci ció egy sima rátermettségtájképen gyorsan megtalálja lja az optimumot Nagy populáci ciókban nem fog sodródás miatt előnytelen mutáns elterjedni Nagy populáci cióban több t előny nyös s mutáci ció lehet D.E. Rozen, M.G.J.L. Habets, A. Handel, J.AG.M. de Visser 2008. Heterogeneous Adaptive Trajectories of Small Populations on Complex Fitness Landscapes. PLoS ONE 3(3): e1715. doi:10.1371/journal.pone.0001715

Kísérletes körülmk lmények E.coli 500 generáci ciónyi evolúci ció sima rátermettség g tájkt jképen (minimális médium) m és rögös tárjépen (komplex médium). m A populáci cióméretet a baktériumkult riumkultúra ra térfogatának változtatv ltoztatásával érték k el (5x10 5 vs. 2.5x10 7 ), ami 50x különbsk nbséget jelent. A relatív v rátermettsr termettséget (és( így az adaptáci ciót) egy máskép p jelölt lt ősi törzzsel t való közvetlen kompetíci ciós kísérletben tesztelték.

Eredmény Kis populáci ciókban az adaptáci ció heterogénebb, nagy populáci ciókban nem. Nagy populáci ció gyorsan adaptálódott dott a sima rátermettség g tájkt jképeken Kis populáci ció viszont gyorsabban adaptálódik dik rögös s tájkt jképen.

Eredmény 2 A legmagasabb relatív v rátermettsr termettséget elérőnél eleinte kicsi a rátermettsr termettség g növekedn vekedés s (pontozott görbék) (A kis populáci ció,, B nagy populáci ció) A legmeredekebb lejtőn n felfelé nem biztos, hogy a legmagasabb csúcs találhat lható Sok ki populáci ció nem találta lta meg az optimumot...