A Metagenomikai Teleszkóp

Scheer Ildikó,

MTA TTK Enzimológiai Intézet

2014. 10. 09.

Metagenomika

Genom szekvenálás

Rengeteg szekvencia információ

Sok új mikroorganizmus felfedezése

Metagenom: egy adott környezetben

élő közösség teljes genetikai anyaga

Metagenomikai adatbázisok létrejötte

Extrém élőhelyek - archaea

gejzír Pyrococcus

furiosus

Hidden Markov modell (HMM)

Alkalmazása:

◦ Időbeli mintázat felismerés (beszéd)

◦ Lineáris szekvenciák

'80-as évektől a bioinformatikában

HMM: fehérje szekvencia

hasonlóságok keresése valószínűségi

módszerekkel

HMM génkeresésre

HMM genom adatok analízisére

és összehasonlítására HMM fehérjékre – random aminosav

szekvencia generátor, sok köztes állapottal

Az n+1-edik állapot az n-ediktől függ

Paraméterek:◦ Állapotok

◦ Állapotok kimeneti valószínűsége

◦ Átmeneti valószínűségek

„Rejtett”: a belső állapotokat nem lehet egyértelműen meghatározni a kimeneti szekvenciák megfigyelésével

HMM – „betanítás”

Egy sorozatnyi (hasonló) szekvenciával „betanítható”

A betanítási folyamat iteratívan változtatja a paramétereit, hogy ráilljen a betanítási készletre

Kimenet: hasonló fehérjék

Egy adott bármely aminosav szekvencia – modell megmondja, hogy mi a valószínűsége, hogy pontosan ez az adott szekvencia legyen a kimenet

Miért is teleszkóp?

Mo

del

l org

aniz

mu

s p

rote

óm

ok

Mo

del

l org

aniz

mu

s p

rote

óm

ok

Ad

ott

fu

nkc

iójú

feh

érjé

k sz

ámo

s fa

jbó

lA

do

tt f

un

kció

jú f

ehér

jék

szám

os

fajb

ól

Az eredeti projekció

A teleszkóp

DNS hibajavító fehérjék

A Gerontológia Molekuláris és Klinikai Alapjai, Kvell és munkatársai, 2011. , PTE

Vizsgált DNS hibajavító

fehérjék◦ dUTPáz

◦ Uracil-DNS glikoziláz (UNG)

◦ Timin-DNS glikoziláz (TDG)

◦ Archea uracil-DNS glikoziláz

◦ NTHL1

◦ OGG1

◦ Rad50

◦ Mre11

Bázis kivágó

javítás

Dupla szálú

DNS törés

javítás

(Megelőzés)

Metagenomok:◦ Iron Mountain savas iszap

◦ Yellowstone Bison Hőforrás

◦ Eltávolító Iszap Közösség

Archaea proteómok a „régi HMM”-ben:◦ Escherichia coli

◦ Archaea fajok Haloferax volcanii

Halobacterium salinarum

Methanosarcina acetivorans

Methanococcus maripalidus

Thermococcus kodakaraensis

Pyrococcus furiosus

Archeoglobus fulgidus

Methanococcus janaschii

Pyrococcus abyssi

Pyrococcus horikoshii

Methanobacteriumthermoautrophicum

Sulfolobus acidocaldarius

Sulfolobus islandicus

Aeropyrum pernix

Sulfolobus solfataricus

Eukarióta proteómok:◦ Élesztő

◦ Caenorhabditis elegans

◦ Lúdfű

◦ Ecet muslica

◦ Zebra hal

◦ Szarvasmarha

◦ Kutya

◦ Csirke

◦ Egér

◦ Sertés

◦ Patkány

◦ Ember

HMM építés

Ismert gén

előfordulások

Összerende-

zett fehérjék

Régi HMM

Eredeti

találatok

Eukarióta

modell

proteóm

Extrém

metagenom

Fehérjék a

metagenomból

Metagenom

találatok

Összerende-

zett találatok

1.

cso-

port

2.

cso-

port

3.

cso-

port

Új

HMM

1

Új

HMM

2

Új

HMM

3

Teleszkóp

találatok

Clustal

HMM

építés

HMM

keresés Clustal

Csoportosítá

s

HMM

keresés

HMM

keresés

ORF keresés

„Új” teleszkóp találatok

Eredeti

találatokTeleszkóp

találatok

v

v

Foszfodiészteráz motívum 1-5 (P1-P5)

Dupla szálú DNS kapcsolat felismerő hurok 1-6 (R1-R6)

Konzervált hidrofób felületi csoport

Walker A (P-hurok)

Q hurok

Zn-hurok

v

ABC-”aláírás” motívum

Walker B

His-kapcsoló

Találatok – Mre11

Ta

lála

tok s

zám

a Eredeti találatok

Teleszkóp találatok

„Új” teleszkóp találatok

Több teleszkóp találat,mint eredeti találat

Találatok – Rad50

Ta

lála

tok s

zám

aEredeti találatok

Teleszkóp

találatok

„Új” teleszkóp

találatok

Több teleszkóp találat,mint eredeti találat

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

Mre11 original

Mre11 only in new

Mre11 Részben már ismert funkciók

Adott tulajdonsággal rendelkező találatok száma

Összes Mre11 találat száma

De „új” teleszkóp találatok egy része:

új fehérje család

további funkcionális tulajdonság

Mre11 eredeti találat

Mre11 „új” teleszkóp találat

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

Rad50 original

Rad50 only in new

Adott tulajdonsággal rendelkező találatok száma

Összes Rad50 találat száma

Rad50 Részben már ismert funkciók

Rad50 eredeti találat

Rad50 „új” teleszkóp találat

De „új” teleszkóp találatok egy része: további funkcionális tulajdonságok

A Metagenomikai teleszkóp, mint

módszer, haszna Ismeretlen funkciójú fehérje

funkciójának megfejtése

Ismert fehérje új funkciója

Köszönöm szépen a

figyelmet!