Bioinformatyka -...

2008-01-10 1

Bioinformatyka – wykład 10.I.2008

Przewidywanie struktur białek

krzysztof_pawlowski@sggw.pl

2008-01-10 2

Plan wykładu•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się

białek•

przewidywanie struktury białka –

po co?

•

przewidywanie struktur –

modelowanie porównawcze

–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)–

metody ab initio / de novo

•

postępy metod przewidywania struktur -

zawody CASP •

przewidywanie funkcji białka a przewidywanie struktury

•

wyzwania na przyszłość

2008-01-10 3

Plan wykładu•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się

białek•

przewidywanie struktury białka –

po co?

•

przewidywanie struktur –

modelowanie porównawcze

–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)–

metody ab initio / de novo

•

postępy metod przewidywania struktur -

zawody CASP •

przewidywanie funkcji białka a przewidywanie struktury

•

wyzwania na przyszłość

2008-01-10 4

Efekt hydrofobowy

2008-01-10 5

Efekt hydrofobowy

Entropia!

węglowodór

fosforan

2008-01-10 6

Opis energetyczny struktury białka

Przyzwoity opis

układu molekularnego –

równanie falowe Schrödingera

...ale dla większości zastosowań

wystarczy klasyczny model białka

Energia potencjalna układu

2008-01-10 7

Plan wykładu•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się

białek•

przewidywanie struktury białka –

po co?

•

przewidywanie struktur –

modelowanie porównawcze

–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)–

metody ab initio / de novo

•

postępy metod przewidywania struktur -

zawody CASP •

przewidywanie funkcji białka a przewidywanie struktury

•

wyzwania na przyszłość

2008-01-10 8

Droga zwijania (folding)

”zapadanie hydrofobowe”

hydrophobic

collapse czy

proces hierarchiczny

2008-01-10 9

HOW DOES PROTEIN FOLD?and even more:How CAN protein fold spontaneously?

Levinthal paradox (1968):Native protein structure reversibly refolds from various starts, i.e., it is thermodynamically stable.

But how can protein chain find this unique structure -

within

seconds -

among zillions alternatives?

2008-01-10 10

Nukleacja

2008-01-10 11

Stopiona globuła – molten

globule

2008-01-10 12

Stopiona globuła – molten

globule

lejek funnel

2008-01-10 13

równowaga – energia i entropia

2008-01-10 14

Newtonowskie równania ruchu

Można ich użyć

do symulacji dynamiki molekularnej (Molecular

Dynamics, MD)

2008-01-10 15

Symulacja zwijania białka

Uproszczony model: pracownia A. Kolińskiego, UW

2008-01-10 16

Plan wykładu•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się

białek•

przewidywanie struktury białka –

po co?

•

przewidywanie struktur –

modelowanie porównawcze

–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)–

metody ab initio / de novo

•

postępy metod przewidywania struktur -

zawody CASP •

przewidywanie funkcji białka a przewidywanie struktury

•

wyzwania na przyszłość

2008-01-10 17

Różne klasy metod przewidywania struktur

comparative modelling

fold

recognition

ab initio

/ de novo methods.

twilight zone

Knowledge

based methods

2008-01-10 18

Modelowanie struktur ”oparte na wiedzy”

Czy istnieją

dobrze scharakteryzowanebiałka podobne do mojego?

Jaka jest dokładna struktura 3D?

Jaką

aktywność

ma białko?

Rozpoznanie

Funkcja

Modelowanie

DopasowanieJak dopasować

sekwencje

target/template?

2008-01-10 19

Przewidywanie przez analogię

75

50

25

0

Łatwe

-

BLAST, FASTA –

silne podobieństwo sekwencji, oczywiste Analogie funkcji

Trudne

-

PSI-BLAST -

podobieństwo sekwencji

-

twilight zone,

zróżnicowanie funkcji

Trudniejsze – brak wyraźnego podobieństwa sekwencji,

duża dywergencja funkcji

Identyczność sekwencji

100Rozpoznanie

2008-01-10 20

Modelowanie porównawcze w różnych rolachtradycyjnie

♦ białko-szablon homologiczne

♦ oczywista analogia funkcji

♦ zwykle jednozaczne dopasowanie

♦ modelowanie♦ dokowanie ligandów,

szczegółowa analiza miejsca aktywnego, ...

etc. etc.

Odległe podobieństwo

♦ Nie zawsze białko- szablon

homologiczne♦ funkcja nieoczywista ♦ dopasowanie może

być

niejednozaczne♦ modelowanie♦ analiza modelu

w celu określenia funkcji

Funkcja

2008-01-10 21

Example: mechanism of action of an

anti cancer drug (STI-571)

Cancer Fighter's Modus Operandi RevealedJean Marx

Science (2000), 289, 1121-2

Funkcja

STI-571 binds to the Abl

protein (left), however doesn't bind to Src, a similar oncogenic

kinase

(right)

2008-01-10 22

De novo

•

Zredukowane modele siatkowe•

Rosetta

2008-01-10 23

Przykład zredukowanej reprezentacji struktury białka

•

uwzgędnia

się

tylko kilka quasi- atomów na resztę

aminokwasową

-

np. Cα Cβ

•

ograniczona liczba możliwych położeń

quasi-atomów

•

specjalne potencjały dla quasi- atomów

•

problem przejścia od reprezentacji zredukowanej do pełnej, atomowej

•

metody często łączone z elementami rozpoznawania kształtw

grupa Andrzeja Kolińskiego biocomp.chem.uw.edu.pl

2008-01-10 24

Idea Rosetty

David Baker, UW

2008-01-10 25

Rosetta

•

łańcuch główny –

uproszczony model Cα,Cβ: uwzględnienie preferencji konformacyjnych krótkich fragmentów

wg. bibliotek

struktur

•

następnie udoskonalenie

modelu (refinement)

z wykorzystaniem

potencjałów

fizykochemicznych, opartych na analizie znanych struktur

2008-01-10 26

Rosetta

Low

resolution

all-atom

2008-01-10 27

Rosetta - przykład

2008-01-10 28

Plan wykładu•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się

białek•

przewidywanie struktury białka –

po co?

•

przewidywanie struktur –

modelowanie porównawcze

–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)–

metody ab initio / de novo

•

postępy metod przewidywania struktur -

zawody CASP•

przewidywanie funkcji białka a przewidywanie struktury

•

wyzwania na przyszłość

2008-01-10 29

CASP – Critical Assessment

of Structure

Prediction

Konkurs

w „ślepym”

przewidywaniu

struktury trójwymiarowej

białek

Rzadki przypadek przewidywań, które nie są

ani trywialne ani nieinteresujące

Asilomar

(półwysep Monterey)

Silne ekipy polskie

2008-01-10 30

Postęp w przewidywaniach struktur - jakość

rozpoznania

i zakres dopasowania sekwencji1994 1996 ... 2004

Dopasowana część

sekwencji

2008-01-10 31

Plan wykładu

•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się białek• przewidywanie struktury białka – po co?• przewidywanie struktur

–

modelowanie porównawcze–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)

–

metody ab initio / de novo

• postępy metod przewidywania struktur

2008-01-10 32

Globulardomains

CATH

≈

SCOP

2008-01-10 33

Thornton

Nat Struct

Biol. 2000; 7 Suppl:991-4.

2008-01-10 34RRóóżżne struktury z podobnymi ne struktury z podobnymi miejscami aktywnymimiejscami aktywnymi

2008-01-10 35Podobne struktury z rPodobne struktury z róóżżnymi nymi miejscami aktywnymimiejscami aktywnymi

2008-01-10 36

Plan wykładu

•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur białka

•

proces zwijania

się białek• przewidywanie struktury białka – po co?• przewidywanie struktur

–

modelowanie porównawcze–

rozpoznawanie kształtów (fold recognition)

–

metody ab initio / de novo

• postępy metod przewidywania struktur

2008-01-10 37

Wyzwania na przyszłość

•

Białka wielodomenowe

–

dokowanie domen

•

Białka transmembranowe•

Czy model może byc

„lepszy”

od szablonu?

•

...Gdy genomika

strukturalna rozwiąże wszystkie struktury...

2008-01-10 38

następne wykłady...

17.I•

serwery do przewidywania struktur białkowych

•

analiza danych wielkoskalowych(high-throughput

biology).

•

bazy danych ekspresji genów•

biologia systemowa

24.I...•

egzamin -

zaliczenie