Cравнение биологических последовательностей А.Б.Рахманинова, 2008. - презентация

1 Cравнение биологических последовательностей А.Б.Рахманинова, 2008

2 Biologists must constantly keep in mind that what they see was not designed, but rather evolved. It might be thought, therefore, that evolutionary arguments would play a large part in guiding biological research, but this is far from the case. Francis Crick What Mad Pursuit (1988) pp «Копирование с модификацией» центральная парадигма эволюции, в которой новые белки и/или новые биологические функции моделируются из имевшихся ранее.» (Д.Гасфильд, 2003)

3 Пути эволюции последовательностей

4 Точечные мутации Молчащая мутация Замена аминокислотного остатка Терминация (обрыв цепи) Сдвиг рамки считывания

5 Дупликации «удачных» вариантов один из важнейших путей эволюции Равный кроссинговер Неравный кроссинговер

6 25 белков 9 белков 2 белка 12 белков 223 белка 243 белка 507 белков ЕС ЕС ЕС Перемешивание и дупликация «удачных» доменов

7 Пути эволюции последовательностей В основе случайное изменение нуклеотидной последовательности ДНК: –точечные замены, –дупликации, –рекомбинации. Давление естественного отбора направлено на функциональные свойства последовательности, например, на свойства кодируемого белка или на свойства регуляторного участка ДНК. Разные изменения нуклеотидной последовательности гена в разной степени влияют на функциональные свойства кодируемого белка.

8 Основные задачи биоинформатики Автоматическая аннотация геномов Похожие последовательности имеют похожие структуры и сходные функции Обратное – неверно! Реконструкция филогенетических деревьев ……..

9 Гомологичные последовательности – последовательности, имеющие общее происхождение (общего предка). Признаки гомологичности белков сходная 3D-структура в той или иной степени похожая аминокислотная последовательность разные другие соображения… Основные понятия биоинформатики

10 Гомологи Ортологи Паралоги Ксенологи ? ( W.M.Fitch, Syst.Zool.19,99(1970) Основные понятия биоинформатики

11 Ортологи последовательности, возникшие из одного общего предшественника в процессе видообразования. Ортологи, как правило, имеют одну и ту же функцию Паралоги последовательности, возникшие из одного общего предшественника в результате дупликации одного гена в одном организме. Паралоги, как правило, имеют разные функции. Основные понятия биоинформатики

12 «Идеальное» выравнивание – запись последовательностей одной под другой так, чтобы гомологичные фрагменты оказались друг под другом. домовой скупидом водомерка ? лесовоз---лесо---воз ледоходлед---оход--- ? Гэп – пропуск в последовательности

13 Гэп – пропуск в последовательности Задача выравнивания последовательностей часто сводится к задаче поиска сходства. Сходство не то же, что гомология !

14 Выравнивание на основе сопоставления пространственных структур Этим Ca-атомам в «синей» структуре ничего не соответствует в «зелёной» ? Большая часть остатков двух цепей соответствуют друг другу. Соответствие в данном случае определяется хорошим наложением структур в пространстве.

15 Бывает и такое…. (пример структурного выравнивания)

16 Гэп – пропуск в последовательности Задача выравнивания последовательностей часто сводится к задаче поиска сходства. Сходство не то же, что гомология !

17 # Matrix made by matblas from blosum62.iij # * column uses minimum score # BLOSUM Clustered Scoring Matrix in 1/2 Bit Units # Blocks Database = /data/blocks_5.0/blocks.dat # Cluster Percentage: >= 62 # Entropy = , Expected = A R N D C Q E G H I L K M F P S T W Y V B Z X * A R N D C Q E G H I L K M F P S T W Y V B Z X *

18 Основные понятия науки о выравниваниях Гэп (пробел) – несовпадение в последовательностях, обусловленное или вставкой а.о. в одной последовательности или делецией в другой. Гэп (пропуск) – непрерывная последовательность пробелов. Простой штраф за пропуск – сумма штрафов за каждый пробел. Аффинный штраф подразумевает большой штраф за открытие пропуска и минимальный за его удлинение на каждый следующий пробел. Вес выравнивания – вычисляется как сумма весов колонок: сумма весов совпадений и замен, а также штрафов за пропуски. Для определения весов совпадений и замен используют матрицы замен

19 AAAЕQAAAAA AACАDEAQAА Что лучше? AA-A-Е-QAAAAA AA-AЕQAAAAA * * * * * * * * * * * * * * * AACАDEAQAAA-- AACАDEAAAA-

20 «...трудно осознать, как бы мы управились без техники работы с последовательностями. Биология уже никогда не будет такой, как прежде.» С.Оливер о работе по расшифровке генома дрожжей, цит. по Д.Гасфельду, 2003, стр.265