Функции Введение Д.А. Равчеев (24 марта 2009 г.) Факультет Биоинженерии и Биоинформатики, 2 курс, весенний семестр. - презентация

1 Функции Введение Д.А. Равчеев (24 марта 2009 г.) Факультет Биоинженерии и Биоинформатики, 2 курс, весенний семестр

2 gcttttcattctgactgcaacgggcaatatgtctctgtgtggattaaaaaaagagtgtctgatagcagcttctgaactggttacctgccgtgagtaaattaaaattttattgactta ggtcactaaatactttaaccaatataggcatagcgcacagacagataaaaattacagagtacacaacatccatgaaacgcattagcaccaccattaccaccaccatcaccattacca acggtgcgggctgacgcgtacaggaaacacagaaaaaagcccgcacctgacagtgcgggctttttttttcgaccaaaggtaacgaggtaacaaccatgcgagtgttgaagttcggca catcagtggcaaatgcagaacgttttctgcgtgttgccgatattctggaaagcaatgccaggcaggggcaggtggccaccgtcctctctgcccccgccaaaatcaccaaccacctgg cgatgattgaaaaaaccattagcggccaggatgctttacccaatatcagcgatgccgaacgtatttttgccgaacttttgacgggactcgccgccgcccagccggggttcccgctgg aattgaaaactttcgtcgatcaggaatttgcccaaataaaacatgtcctgcatggcattagtttgttggggcagtgcccggatagcatcaacgctgcgctgatttgccgtggcgaga tgtcgatcgccattatggccggcgtattagaagcgcgcggtcacaacgttactgttatcgatccggtcgaaaaactgctggcagtggggcattacctcgaatctaccgtcgatattg agtccacccgccgtattgcggcaagccgcattccggctgatcacatggtgctgatggcaggtttcaccgccggtaatgaaaaaggcgaactggtggtgcttggacgcaacggttccg actctgctgcggtgctggctgcctgtttacgcgccgattgttgcgagatttggacggacgttgacggggtctatacctgcgacccgcgtcaggtgcccgatgcgaggttgttgaagt tgtcctaccaggaagcgatggagctttcctacttcggcgctaaagttcttcacccccgcaccattacccccatcgcccagttccagatcccttgcctgattaaaaataccggaaatc aagcaccaggtacgctcattggtgccagccgtgatgaagacgaattaccggtcaagggcatttccaatctgaataacatggcaatgttcagcgtttctggtccggggatgaaaggga tcggcatggcggcgcgcgtctttgcagcgatgtcacgcgcccgtatttccgtggtgctgattacgcaatcatcttccgaatacagcatcagtttctgcgttccacaaagcgacttgc gagctgaacgggcaatgcaggaagagttctacctggaactgaaagaaggcttactggagccgctggcagtgacggaacggctggccattatctcggtggtaggtgatggtagcacct tgcgtgggatctcggcgaaattctttgccgcactggcccgcgccaatatcaacattgtcgccattgctcagggatcttctgaacgctcaatctctgtcgtggtaaataacgatgatg ccactggcgtgcgcgttactcatcagatgctgttcaataccgatcaggttatcgaagtgtttgtgattggcgtcggtggcgttggcggtgcgctgctggagcaactgaagcgtcagc gctggctgaagaataaacatatcgacttacgtgtctgcggtgttgccaactcgaaggctctgctcaccaatgtacatggccttaatctggaaaactggcaggaagaactggcgcaag aagagccgtttaatctcgggcgcttaattcgcctcgtgaaagaatatcatctgctgaacccggtcattgttgactgcacttccagccaggcagtggcggatcaatatgccgacttgc gcgaaggtttccacgttgtcacgccgaacaaaaaggccaacacctcgtcgatggattactaccatcagttgcgttatgcggcggaaaaatcgcggcgtaaattcctctatgacacca ttggggctggattaccggttattgagaacctgcaaaatctgctcaatgcaggtgatgaattgatgaagttctccggcattctttctggttcgctttcttatatcttcggcaagttag aaggcatgagtttctccgaggcgaccacgctggcgcgggaaatgggttataccgaaccggacccgcgagatgatctttctggtatggatgtggcgcgtaaactattgattctcgct aaacgggacgtgaactggagctggcggatattgaaattgaacctgtgctgcccgcagagtttaacgccgagggtgatgttgccgcttttatggcgaatctgtcacaactcgacgatc ttgccgcgcgcgtggcgaaggcccgtgatgaaggaaaagttttgcgctatgttggcaatattgatgaagatggcgtctgccgcgtgaagattgccgaagtggatggtaatgatccgc tcaaagtgaaaaatggcgaaaacgccctggccttctatagccactattatcagccgctgccgttggtactgcgcggatatggtgcgggcaatgacgttacagctgccggtgtctttg atctgctacgtaccctctcatggaagttaggagtctgacatggttaaagtttatgccccggcttccagtgccaatatgagcgtcgggtttgatgtgctcggggcggcggtgacacct gatggtgcattgctcggagatgtagtcacggttgaggcggcagagacattcagtctcaacaacctcggacgctttgccgataagctgccgtcagaaccacgggaaaatatcgtttat tgctgggagcgtttttgccaggaactgggtaagcaaattccagtggcgatgaccctggaaaagaatatgccgatcggttcgggcttaggctccagtgcctgttcggtggtcgcggcg atggcgatgaatgaacactgcggcaagccgcttaatgacactcgtttgctggctttgatgggcgagctggaaggccgtatctccggcagcattcattacgacaacgtggcaccgtgt ctcggtggtatgcagttgatgatcgaagaaaacgacatcatcagccagcaagtgccagggtttgatgagtggctgtgggtgctggcgtatccggggattaaagtctcgacggcagaa agggctattttaccggcgcagtatcgccgccaggattgcattgcgcacgggcgacatctggcaggcttcattcacgcctgctattcccgtcagcctgagcttgccgcgaagctgatg gatgttatcgctgaaccctaccgtgaacggttactgccaggcttccggcaggcgcggcaggcggtcgcggaaatcggcgcggtagcgagcggtatctccggctccggcccgaccttg gctctgtgtgacaagccggaaaccgcccagcgcgttgccgactggttgggtaagaactacctgcaaaatcaggaaggttttgttcatatttgccggctggatacggcgggcgcacga ctggaaaactaaatgaaactctacaatctgaaagatcacaacgagcaggtcagctttgcgcaagccgtaacccaggggttgggcaaaaatcaggggctgttttttccgcacgacctg gaattcagcctgactgaaattgatgagatgctgaagctggattttgtcacccgcagtgcgaagatcctctcggcgtttattggtgatgaaatcccacaggaaatcctggaagagcgc cgcgcggcgtttgccttcccggctccggtcgccaatgttgaaagcgatgtcggttgtctggaattgttccacgggccaacgctggcatttaaagatttcggcggtcgctttatggca atgctgacccatattgcgggtgataagccagtgaccattctgaccgcgacctccggtgataccggagcggcagtggctcatgctttctacggtttaccgaatgtgaaagtggttatc tatccacgaggcaaaatcagtccactgcaagaaaaactgttctgtacattgggcggcaatatcgaaactgttgccatcgacggcgatttcgatgcctgtcaggcgctggtgaagcag tttgatgatgaagaactgaaagtggcgctagggttaaactcggctaactcgattaacatcagccgtttgctggcgcagatttgctactactttgaagctgttgcgcagctgccgca acgcgcaaccagctggttgtctcggtgccaagcggaaacttcggcgatttgacggcgggtctgctggcgaagtcactcggtctgccggtgaaacgttttattgctgcgaccaacgtg gataccgtgccacgtttcctgcacgacggtcagtggtcacccaaagcgactcaggcgacgttatccaacgcgatggacgtgagtcagccgaacaactggccgcgtgtggaagagttg cgccgcaaaatctggcaactgaaagagctgggttatgcagccgtggatgatgaaaccacgcaacagacaatgcgtgagttaaaagaactgggctacacttcggagccgcacgctgta gcttatcgtgcgctgcgtgatcagttgaatccaggcgaatatggcttgttcctcggcaccgcgcatccggcgaaatttaaagagagcgtggaagcgattctcggtgaaacgttggat ccaaaagagctggcagaacgtgctgatttacccttgctttcacataatctgcccgccgattttgctgcgttgcgtaaattgatgatgaatcatcagtaaaatctattcattatctca aggccgggtttgcttttatgcagcccggcttttttatgaagaaattatggagaaaaatgacagggaaaaaggagaaattctcaataaatgcggtaacttagagattaggattgcgga taacaaccgccgttctcatcgagtaatctccggatatcgacccataacgggcaatgataaaaggagtaacctgtgaaaaagatgcaatctatcgtactcgcactttccctggttctg gctcccatggcagcacaggctgcggaaattacgttagtcccgtcagtaaaattacagataggcgatcgtgataatcgtggctattactgggatggaggtcactggcgcgaccacggc Давайте помнить цель Мы хотим знать, что закодировано в геномах, как это работает, каким образом это возникло…

3 Март 2009 EMBL Number of entries TrEMBL Number of entries Swiss-Prot Number of entries

4 Как узнают функцию белка или гена? Эксперимент – прямой и генетический ждите спецкурсов и практикумов Компьютерная аннотация задача поиска ортологов, ….. ждите лекции М.С.Гельфанда поиск гомологов Сообщение хотите верьте, хотите нет

5 A Summary of the E. coli chromosome (Gene Type Distribution), data from Updated August 29st, 2007 By similarity 1098 RNAs, 156 Miscellaneous, 27 Unknown 598 Experimental 2121

6 Основные биоинформатические базы данных Основные БД последовательностей: EMBL, GeneBank, UniProt, SwissProt. Производные: PFAM,PROSITE, INTERPRO, dbEST, dbSNP……. БД 3D-структур: PDB. Производные: SCOP, CATH, RNABase….. БД и энциклопедии, в которых подробно описаны функции генов и их продуктов: KEGG, BIOCYC, ENZYME, TC-DB, REACTOME……. Онтологии : GO, OBO, HUGO......

7 Функции каких объектов?

8 Как понимать «гены и их продукты» ГенГен альтернативный сплайсинг у эукариот mRNA Белок 1 Зрелые rRNA и tRNA mRNA Белок 2 Белок 3 mRNA Активны й процессинг+модификация фермент Белок Процессинг и/или РТМ

9 Сколько записей в Swiss-Prot ? 1 белок, 4 цепи 1 белок, 2 цепи 2 записи 1 запись

10 Малатдегидрогеназа, EC (S)-malate + NAD + = oxaloacetate + NADH + H + Цикл Кребса Гликонеогенез MDHC_YEAST в цитоплазме DHM_YEAST в матриксе митохондрий MDHP_YEAST в пероксисомах Глиоксилатный путь Зачем дрожжам 3 фермента с 43-50% идентичности ??

11 Что такое "Функция"? ( что хочется знать о функции молекулярной машины) Где? Локализация (место в организме, клетке, комплексе) Зачем? Предназначение, роль в организме (клетке) Как? Тип молекулярного механизма С чем? Тип рабочего тела (специфичность)

12 Например, LACY_ECOLI Клеточная мембрана Транспорт сахаров в бактериальную клетку Симпорт H + /сахар Лактозный транспортер LDH_ECOLI Цитоплазма Анаэробный гликолиз Оксидоредуктаза, донор – группа –CH-OH, акцептор – НАД+ D-Лактатдегидрогеназа

13 1.Один белок и много функций цитохром с окислительное фосфорилирование индукция апоптоза 2.Одна функция и много белков 2.1. Ортологичный ряд алькогольдегидрогеназ 2.2. Аналогичные ферменты. Функция не физический объект, не ген и не белок TRPC_ECOLI ЕС ЕС

14 Где искать описание функции Краткое описание функций одного белка и ссылки на другие ресурсы см. Краткое описание функций семейств белков и доменов см. в и Подробное описание функций генов и их продуктов см в энциклопедиях, таких как или Подробное описание отдельных классов функций и соответствующих белков см. в специализированных БД, таких как ENZYME,,...

15

16 Самая простая, но обычная проблема 2-фосфо-D-глицерат фосфоенолпируват + H 2 O 1.Сколько разных функций? phosphopyruvate hydratase, 2-phosphoglycerate dehydratase, enolase 2. Как найти то, что непонятно, как называется ? tricarboxylic acid cycle=TCA cycle=Krebs cycle=citrate cycle=citric acid cycle BioCyc знает «TCA cycle» и «tricarboxylic acid cycle» KEGG понимает «Citrate cycle» и «TCA cycle» и «Reductive carboxylate cycle». -=- Гемоглобин есть в BioCyc и KEGG, но обе базы не понимают oxygen transport

17

18 Цели GO (Gene Ontology ) Создание концепции классификации наших биологических знаний о Молекулярных функциях (Function) (Как? С чем?) Например, carbohydrate binding или ATPase activity Биологических процессах (Process) (Зачем?) Например, митоз или биосинтез пуринов Клеточных компонентах (Component) (Где?) Например, ядро или холофермент РНК-полимераза II Создание общего языка, применимого для всех организмов. Создание формальной терминологии для аннотации генов и сравнении информации о разных видах.

19 Что такое GO ? 1.3 независимых словаря терминов 1.Molecular Function (Как? С чем?) 2.Biological Process (Зачем?) 3.Cellular Component (Где?) 2.Термины имеют определение и перечень синонимов. 3.Термины в пределах одной онтологии связаны отношениями "_is_a", "_is_part_of" или "has part_of" 4.Термины имеют стандартные идентификаторы.

20 tricarboxylic acid cycle Accession: GO: Ontology: biological_process Synonyms: exact: citric acid cycle exact: Krebs cycle exact: TCA cycle Definition: A nearly universal metabolic pathway in which the acetyl group of acetyl coenzyme A is effectively oxidized to two C02 and four pairs of electrons are transferred to coenzymes. The acetyl group combines with oxaloacetate to form citrate, which undergoes successive transformations to isocitrate, 2-oxoglutarate, succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate, and oxaloacetate again, thus completing the cycle. In eukaryotes the tricarboxylic acid is confined to the mitochondria. See also glyoxylate cycle.

21 Аннотация GO для HBB_HUMAN (UniProt) 1.Ген или продукт ассоцируется из одним или несколькими терминами из всех трех онтологий. 2.Термины имеют код обоснования аннотации

22 DAG ориентированный ациклический граф отношение "is_part_of": "A is part of B" означает, что А часть В, но В не обязательно содержит А. отношение "_is_a": "A is B" означает, что А частный случай В;

23 Evidence Codes EXP Inferred from Experiment IDA Inferred from Direct Assay TAS Traceable Author Statement IMP Inferred from Mutant Phenotype IGI Inferred from Genetic Interaction IPI Inferred from Physical Interaction RCA Inferred from Reviewed Computational Analysis ISS Inferred from Sequence Similarity IEP Inferred from Expression Pattern NAS Non-traceable Author Statement IEA Inferred from Electronic Annotation IC Inferred by Curator ND No biological Data available

24 Есть и другие онтологии, например, exon, promoter, binding_site, non_canonical_splice_site, stop_codon. pseudogene

25

26 Резюме Функциональная аннотация геномов задача биоинформатики Существуют энциклопедии, где можно узнать о функциях генов и их продуктов, например, BioCyc. Полное описание функции это ответы на вопросы "где?", "зачем?", "как?, "с чем?. GO перспективный подход к разработке общего языка (решение проблема синонимов), разработке формализованного описания функций, общего для всех организмов.