Компьютерный анализ закономерностей кодирования функциональных сайтов белков в генах эукариот Медведева Ирина Специальность: 03. 01. 09 математическая биология, биоинформатика Научный руководитель: доц. , к. б. н. Иванисенко В. А. ИЦи. Г 2013 1
Функциональный сайт белка – группа аминокислотных остатков, непосредственно участвующая во взаимодействиях белка с лигандами/рецептором или биохимических реакциях, обеспечивающих выполнение его функции. Функциональные сайты обладают свойством компактности в пространственной структуре, т. е. , их аминокислотные остатки сближены в пространстве между собой, но могут быть удаленно распределены по последовательности. Среди различных типов функциональных сайтов можно выделить следующие: • активные центры (посредством которых катализируются химические реакции, включают в себя каталитические сайты и сайты связывания субстрата); • связывающие лиганды (могут связывать либо макромолекулы - белки, ДНК, РНК, - либо небольшие молекулы); • аллостерические (сайты, связывание лигандов с которыми может изменять конформацию белка и, таким образом, регуляторно воздействовать на функцию других удаленных в пространстве сайтов); • регуляторные (могут регулировать ферментативную активность белков с помощью активаторов и ингибиторов). 2
Проекция функциональных сайтов белков на экзонную структуру гена последовательность гена интрон экзон последовательность белка границы экзонов в последовательности белка функциональный сайт 3
Эволюция экзонной структуры • • • Дупликация экзонов Перетасовка экзонов Экзонизация интронов, мобильных элементов Использование домена в качестве эволюционной единицы • Анализ соответствия границ домен-экзон (Kaessmann H. et al. 2002) доменная структура экзонная структура • Анализ соответствия структурных элементов белка с экзонной структурой гена. Исследовалось для отдельных семейств разными авторами: FXYD, митохондриальные порины Для исследованных семейств наблюдается корреляция между экзон-интронными границами и и границами структурных элементов. • Анализ соответствия функциональных элементов белка с экзонной структурой гена. 4
Ресурсы БД кодирующих последовательностей БД последовательностей белков Gen. Bank Swiss. Prot Ensembl Trembl БД функциональных сайтов БД 3 D структур белков Sites. Base PDBSite Ex. Dom SEDB Xdom. View интегрированные ресурсы 5
Цель и задачи исследования Цель: Выявление закономерностей кодирования функциональных сайтов белков с использованием проекций границ экзонов на белковую структуру Ø Разработка компьютерной системы, предназначенной для анализа проекций на аминокислотную последовательность белков экзонной структуры, кодирующих их генов, границ доменов и позиций функциональных сайтов. Создание базы данных, интегрирующей результаты проекции и существующие ресурсы по структурно-функциональной организации белков и генов. Ø Интеграция компьютерной системы с программой BLAST с целью поиска гомологичных экзонов и участков полипептидов, кодируемых одним экзоном; а также программой PDB 3 DScan для осуществления структурного выравнивания анализируемого белка с пространственными структурами фрагментов белков, кодируемых одним экзоном. Ø Анализ закономерностей распределения позиций ДНК, кодирующих функциональные сайты, в экзонной структуре гена Ø Исследование распределения кодонного состава в позициях ДНК, кодирующих функциональные сайты, с учетом информационных генетических сигналов на границах экзонов. 6
Интеграция БД SCOP Pfam Ensembl Clustal. W PDB 60 000 лиганды 12 000 2 300 позвоночные Sit. Ex 7
Структура БД Sit. Ex PDB Ensembl новые данные 8
Sit. Ex • 17 организмов • (73% белков человека, 10%мыши, 5%крысы, 5% коровы) • 720 лигандов • 2304 последовательностей • 9994 сайта экзоны сайты 9 http: //samurai. bionet. nsc. ru/~demps/sitex/
Sit. Ex: Возможности поиска • BLAST Поиск гомологичных нуклеотидных последовательностей, соответствующих экзонам, и гомологичных аминокислотных последовательностей, кодируемых одним экзоном заданный белок • 3 DExon. Scan структура полипептида, кодируемого одним экзоном Поиск пространственных структур полипептидов, первичная структура которых кодируется одним экзоном 10
Функциональные сайты в гомологичных белках прокариот и эукариот Уропорфириногендекарбоксилаза (Homo sapiens vs Bacillus subtilis) Белок человека: 10 экзонов, один UROD домен. Сайт связывания копропорфирина – 18 аминокислот, кодируемых в 8 экзонах Сходство последовательности для 2, 5, 6, 10 экзонов Из 18 аминокислот 6 замен гидрофобных остатков. Аминокислотные остатки, связывающие копропорфирин, консервативны* и кодируются 2, 6, 10 экзонами. полипептид белка человека, бактериальный соответствующий 6 -ому белок экзону RMSD=0. 86, Z-score=4. 9 *Fan et al. 2006 11
Исследование экзонной структуры генов, кодирующих белки, которые имеют в составе часто встречающийся домен 2 X 8 B 1 P 0 I 1 AQL 2 H 7 C 3 BL 8 3 BE 8 Экзонная структура участков белка, содержащих домен карбоксилазы типа В. Зеленый цвет экзонов показывает сходство последовательности с первым экзоном домена 2 X 8 B. Сходство по последовательности со вторым экзоном показано оранжевым. Экзоны в составе домена не имеющие гомологии с последовательностью, кодирующей белок со структурой 2 X 8 B, помечены голубым. Красным показаны экзоны, кодирующие полипептиды, обладающие значимым структурным сходством с исходной структурой (Z-score>3. 5). Несмотря на различную кодирующую экзонную структуру домена карбоксилаза типа В в различных белках, сохраняется сходство по последовательности и по структуре. Также домен связывает один общий для всех белков лиганд, при этом сохраняется кодирующая экзонная структура сайта связывания НАД. 12
Анализ закономерностей распределения позиций ДНК, кодирующих функциональные сайты, в экзонной структуре гена Коэффициент разрывности 0, 33 экзон, кодирующий функциональный сайт порядковый номер первого экзона в последовательности гена, кодирующего функциональный сайт, порядковый номер последнего экзона в последовательности гена, кодирующего функциональный сайт, N число экзонов последовательности гена, кодирующих функциональный сайт. 0, 5 Корреляция коэффициентов разрывности ρ ≈ 0, 6 Coef. A – коэффициент разрывности сайта в последовательности Coef. E – коэффициент разрывности сайта в экзонной структуре Чем больше значение коэффициента, тем более разрывен сайт. => Экзоны, кодирующие функциональный сайт, сближены 13
Встречаемость границ экзонов вне области кодирования функционального сайта аминокислоты функционального сайта область функционального сайта экзонная структура Наблюдаемая частота – 0, 36 Ожидаемая частота – 0, 61 Границы экзонов статистически реже расположены в области функциональных сайтов и разрывают ее, с учетом того, что сайты из-за своей дискретности распределены вдоль большей части последовательности 14
Исследование распределения длин экзонов, кодирующих функциональные сайты Cредняя длина экзонов, кодирующих аминокислоты функционального сайта, больше и составляет ≈53, 0 кодона, а средняя длина экзонов из второй выборки – ≈45, 7 кодонов. Оказалось, что выборки длин экзонов различаются с вероятностью <<0, 01 (значение критерия χ2 582, 8). Длина экзона, кодирующего функциональный сайт, в среднем больше Полученные результаты согласуются с гипотезой о том, что функциональный сайт является минимальной эволюционной единицей белка 15
Распределение фаз кодонов в позициях ДНК на границе экзонов, кодирующих функциональные сайты Фазы кодонов на границах экзонов Сравнение частот встречаемости фаз между этими двумя группами с помощью критерия Фишера показало статистически значимое различие между распределениями частот для фаз 0 и 1 (p=0, 04 (F=2, 15) и p=10 -4 (F=5, 59) соответственно). I – ЭКФС II - НКФС Функциональные сайты реже кодируются на границе экзона кодонами в фазе 0, которая указывает на более древние вставки интронов, но чаще в фазе 1. Этот факт может указывать на то, что на границе экзонов аминокислоты функционального сайта в ходе 16 эволюции реже сохраняются, но могут возникать.
Анализ частоты использования аминокислот в функциональных сайтах Таблица встречаемости аминокислот в функциональных сайтах H 2, 28 W 1, 47 M 0, 95 I 0, 67 C 1, 98 N 1, 44 T 0, 91 A 0, 6 Y 1, 69 F 1, 25 E 0, 88 L 0, 6 D 1, 58 G 1, 11 S 0, 86 V 0, 58 R 1, 55 K 0, 97 Q 0, 81 P 0, 39 В таблице представлено отношение встречаемости аминокислот в функциональных сайтах к встречаемости в последовательностях белков. Вблизи э. -и. границ: Вне э. -и. границ: Кодоны: TAT*(Y), CAT(H), GGT (G), TGT (C) Кодоны: CAC(H), CAT(H), CGC(R), TGT(C), TGC(C) Аминокислоты: Y, H, C Аминокислоты: H, C** *Согласуется с J. Parmley et al. 2006 (показано присутствие AT-богатых кодонов вблизи границ экзонов) 17 **Согласуется с D. Kristensen et al. 2008
Исследование распределения кодонного состава в позициях ДНК, кодирующих функциональные сайты. Различие в использовании кодонов на 5’конце и 3’-конце рассчитывалось с использование критерия χ2 для таблиц 2*J • • Использование кодонов одинаково на всех участках последовательности при кодировании сайтов, но отлично на 5’-конце: A, D, H Более часто используется редко встречающийся кодон при кодировании сайта в последовательности экзона на 5’-конце (менее 5 кодонов): N, P, Q, E, C • Более часто используется редко встречающийся кодон при кодировании сайта в последовательности на 3’-конце (менее 5 кодонов): V • кодоны сайта 5’-конец GCA 17. 36 25. 00 GCC 31. 31 34. 76 GCG 9. 10 7. 93 GCT А послед. 5’конца 20. 66 32. 32 χ2=13. 69, p<0. 01 Показано увеличение кодонов с садержанием аденина и тимина при кодировании аминокислотного остатка в районах границ экзонов: AAT, CCA, CAA, GAA, TGT. Не показано достоверного отличия: F, I, K, L, T, Y, G, R, S 18
Выводы 1) Создана база данных Sit. Ex, содержащая разметку в белковых и геномных последовательностях эукариот границ экзонов, доменов, функциональных сайтов белков и однонуклеотидных полиморфизмов. База данных интегрирована с программами BLAST и 3 DPDBScan для поиска участков в первичных и пространственных структурах белков, имеющих сходство с полипептидами, определяемыми разметкой экзонов в базе данных Sit. Ex. 2) Впервые показано, что функциональные сайты белков имеют тенденцию к кодированию одним или близко расположенными в последовательности гена экзонами. При этом значение показателя разрывности функциональных сайтов по экзонам значимо меньше, чем ожидаемое по случайным причинам. 3) Впервые показано, что длина экзонов, кодирующих функциональные сайты, в среднем значимо превышает длину экзонов, некодирующих функциональные сайты. Показано, что экзоны, кодирующие функциональный сайт обладают большей консервативностью. 19
Выводы 4) Впервые показано, что частота кодонов в позициях ДНК, кодирующих функциональный сайт, в фазе 1 на 5`-конце экзонов статистически значимо превышает частоту кодонов в фазе 1, некодирующих функциональный сайт на 5`-конце экзонов, в то время как частота таких кодонов в фазе 0 значимо меньше, что указывает на более позднее их возникновение. 5) Впервые показано отличие частот использования кодонов в позициях ДНК, кодирующих функциональные сайты, от позиций, не кодирующих функциональные сайты, в районах 5`- и 3`-концов экзонов. В обоих распределениях преобладали неоптимальные кодоны, однако, кодоны, соответствующие функциональным сайтам, характеризовались повышенным AT-составом. Полученные закономерности могут лежать в основе механизма интерференции генетических сигналов, соответствующих сайтам сплайсинга и кодам функциональных сайтов. 20
Список публикаций Статьи в рецензируемых журналах: • Ю. Л. Орлов, А. О. Брагин, И. В. Медведева, К. В. Гунбин, П. С. Деменков, О. В. Вишневский, В. Г. Левицкий, Д. Ю. Ощепков, Н. Л. Подколодный, Д. А. Афонников, И. Гроссе, Н. А. Колчанов. (2012) ICGenomics: программный комплекс анализа символьных последовательностей геномики. Вавиловский журнал генетики и селекции. Том 16, 4/1, 732 -741. • Irina Medvedeva, Pavel Demenkov, Nikolay Kolchanov, Vladimir Ivanisenko. (2012). Sit. Ex: a computer system for analysis of projections of protein functional sites on eukaryotic genes. Nucleic Acids Res. Database issue, pp. D 278 -83. • Медведева И. В. . , Деменков П. С. , Иванисенко В. А. (2009). Анализ распределения аденозин-фосфат связывающих сайтов белков на экзонной структуре гена. Информационный Вестник ВОГи. С, Том 13, № 1, стр. 122 -127. Свидетельства: • Медведева И. В. . , Деменков П. С. , Иванисенко В. А. (2013) Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2013621254. Позиции аминокислот функциональных сайтов белков в экзонной структуре кодирующих генов (Сайт. Экс)/Protein functional sites positions in exon structure of the coding genes (Sit. Ex). Тезисы конференций: • Medvedeva I. V. , Demenkov P. S. , Ivanisenko V. A. Influences of protein functional site encoding features on protein evolution in Eukaryota. // Abstracts of the Eighth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2012), Novosibirsk, Russia, June 25 - 29, 2012, p. 209. • Afonnikov D. A. , Ivanisenko V. A. , Ignatieva E. V. , Medvedeva I. V. , Demenkov P. S. , Ivanisenko T. V. , Shah A. R. , Ramachandran S. Analysis of sequence features specifying the adhesion ability of influenza A virus neuraminidase and hemagglutinin. // Abstracts of the Eighth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2012), Novosibirsk, Russia, June 25 - 29, 2012, p. 27. • Medvedeva I. V. , Demenkov P. S. , Ivanisenko V. A. Computer system Sit. Ex for analyzing protein functional sites in eukaryotic gene structure. // Program&Abstracts. The young scientists school "Bioinformatics and System biology", Novosibirsk, Russia, June 28 - 29, 2010, p. 27. • Medvedeva I. V. , Demenkov P. S. , Ivanisenko V. A. Computer system Sit. Ex for analyzing protein functional sites in eukaryotic gene structure. // Abstracts of the Seventh International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2010), Novosibirsk, Russia, June 20 - 27, 2010, p. 182. • Medvedeva I. V. , Ivanisenko V. A. Protein functional site projection on exon structure of gene. // Abstracts of the Sixth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2008), Novosibirsk, Russia, June 22 - 28, 2008, p. 159. • Medvedeva I. V. , Demenkov P. S. , Ivanisenko V. A. (2007) Analysis of protein functional site distribution on gene structure. Proceedings of the 2007 international conference on bioinformatics and computational biology. Vol. 2, pp. 45221 455.
Скачать презентацию Компьютерный анализ закономерностей кодирования функциональных сайтов белков в
0ae45e28ff8b3861fb3a8d36de329856.ppt