Rendezetlen fehérjék bioinformatikája I.

(1)

Rendezetlen fehérjék bioinformatikája I.

TANTOS ÁGNES

ALAPOK ÉS ADATBÁZISOK

(2)

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA

TERMÉSZETTUDOMÁNYI KUTATÓKÖZPONT ANYAG- ÉS KÖRNYEZETKÉMIAI INTÉZET ENZIMOLÓGIAI INTÉZET

A humán m-calpain kristályszerkezete

(3)

A proteomok “sötét anyaga”

(4)

Herz (2013) Trends in Biochemical

Sciences

(5)

Szekvenica komplexitás

A szekvencia adatbázisok sok olyan régiót tartalmaznak, melyekben alig néhány aminosav fordul elő (egyszerűek), vagy néhány aminosav túlnyomó többségben van (torzultak). Ez a jelenség egy entrópia-

egyenlettel jellemezhető - Wootton (1993)

Shannon- féle entrópia

L > 20; ablak nagysága,

N az ABC mérete (20),

n

_i

: az i. aminosav száma

(6)

Alacsony komplexitású régiók a fehérjékben

Wootton (1994) Comp. Chem.

(7)

Drosophila mastermind

>sp|P21519|MAM_DROME Neurogenic protein mastermind OS=

Drosophila melanogaster GN=mam PE=2 SV=2

MDAGGLPVFQSASQAAAVAQQQQQQQQQQQQHLNLQLHQQHLGLHLQQQQQLQLQQQQHN AQAQQQQIQVQQQQQQQQQQQQQQHSPYNANLGATGGIAGITGGNGAGGPTNPGAVPTAP GDTMPTKRMPVVDRLRRRMENYRRRQTDCVPRYEQAFNTVCEQQNQETTVLQKRFLESKN KRAAKKTDKKLPDPSQQHQQQQHQQQQQHQQHQQHQQAQTMLAGQLQSSVHVQQKFLKRP AEDVDNGPDSFEPPHKLPNNNNNSNSNNNNGNANANNGGNGSNTGNNTNNNGNSTNNNGG SNNNGSENLTKFSVEIVQQLEFTTSAANSQPQQISTNVTVKALTNTSVKSEPGVGGGGGG GGGGGSGNNNNNGGGGGGGNGNNNNNGGDHHQQQHQQQQQQQGGGLGGLGNNGRGGGPGG MATGPGGVAGGLGGMGMPPNMMSAQQKSALGNLANLVECKREPDHDFPDLGSLDKDGGGG QFPGFPDLLGDDNSENNDTFKDLINNLQDFNPSFLDGFDEKPLLDIKTEDGIKVEPPNAQ DLINSLNVKSEGGLGHGFGGFGLGLDNPGMKMRGGNPGNQGGFPNGPNGGTGGAPNAGGN GGNSGNLMSEHPLAAQTLKQMAEQHQHKNAMGGMGGFPRPPHGMNPQQQQQQQQQQQQQQ AQQQHGQMMGQGQPGRYNDYGGGFPNDFGLGPNGPQQQQQAQQQQPQQQHLPPQFHQQKG PGPGAGMNVQQNFLDIKQELFYSSQNDFDLKRLQQQQAMQQQQQQQHHQQQQQQQQPKMG GVPNFNKQQQQQQVPQQQLQQQQQQQQQQQQQQQQQYSPFSNQNPNAAANFLNCPPRGGP NGNQQPGNLAQQQQQPGAGPQQQQQRGNAANGQQNNPNAGPGGNTPNAPQQQQQQSTTTT LQMKQTQQLHISQQGGGAHGIQVSAGQHLHLSGDMKSNVSVAAQQGVFFSQQQAQQQQQQ QQPGGTNGPNPQQQQQQPHGGNAGGGVGVGVGVGVGNGGPNPGQQQQQPNQNMSNANVPS DGFSLSQSQSMNFNQQQQQQAAAQQQQVQPNMRQRQTQAQAAAAAAAAAAQAQAAANASG PNVPLMQQPQVGVGVGVGVGVGVGVGNGGVVGGPGSGGPNNGAMNQMGGPMGGMPGMQMG GPMNPMQMNPNAAGPTAQQMMMGSGAGGPGQVPGPGQGPNPNQAKFLQQQQMMRAQAMQQ QQQHMSGARPPPPEYNATKAQLMQAQMMQQTVGGGGVGVGGVGVGVGVGGVGGANGGRFP NSAAQAAAMRRMTQQPIPPSGPMMRPQHAMYMQQHGGAGGGPRTGMGVPYGGGAGGPMGG PQQQQRPPNVQVTPDGMPMGSQQEWRHMMMTQQQTQMGFGGPGPGGPMRQGPGGFNGGNF MPNGAPNGAAGSGPNAGGMMSGPNVPQMQLTPAQMQQQLMRQQQQQQQQQQQHMGPGAAN NMQMQQLLQQQQSGGGGNMMASQMQMTSMHMTQTQQQITMQQQQQFVQSTTTTTHQQQQM MQMGPGGGGGGGGPGSANNNNGGGGGGAAGGGNSASTIASASSISQTINSVVANSNDFGL EFLDNLPVDSNFSTQDLINSLDNDNFNLQDFNMP

>sp|Q9NZW4|DSPP_HUMAN Dentin sialophosphoprotein OS=

Homo sapiens GN=DSPP PE=1 SV=2

MKIITYFCIWAVAWAIPVPQSKPLERHVEKSMNLHLLARSNVSVQDELNASGTIKESGVL VHEGDRGRQENTQDGHKGEGNGSKWAEVGGKSFSTYSTLANEEGNIEGWNGDTGKAETYG HDGIHGKEENITANGIQGQVSIIDNAGATNRSNTNGNTDKNTQNGDVGDAGHNEDVAVVQ EDGPQVAGSNNSTDNEDEIIENSCRNEGNTSEITPQINSKRNGTKEAEVTPGTGEDAGLD NSDGSPSGNGADEDEDEGSGDDEDEEAGNGKDSSNNSKGQEGQDHGKEDDHDSSIGQNSD SKEYYDPEGKEDPHNEVDGDKTSKSEENSAGIPEDNGSQRIEDTQKLNHRESKRVENRIT KESETHAVGKSQDKGIEIKGPSSGNRNITKEVGKGNEGKEDKGQHGMILGKGNVKTQGEV VNIEGPGQKSEPGNKVGHSNTGSDSNSDGYDSYDFDDKSMQGDDPNSSDESNGNDDANSE SDNNSSSRGDASYNSDESKDNGNGSDSKGAEDDDSDSTSDTNNSDSNGNGNNGNDDNDKS DSGKGKSDSSDSDSSDSSNSSDSSDSSDSDSSDSNSSSDSDSSDSDSSDSSDSDSSDSSN SSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSKSDSSKSESDSSDSDSKSDSSDSNSSDSSDNSDSSDSS NSSNSSDSSDSSDSSDSSSSSDSSNSSDSSDSSDSSNSSESSDSSDSSDSDSSDSSDSSN SNSSDSDSSNSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSS NSSDSNDSSNSSDSSDSSNSSDSSNSSDSSDSSDSSDSDSSNSSDSSNSSDSSDSSNSSD SSDSSDSSDGSDSDSSNRSDSSNSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSNESSNSSDSSDSSNS SDSDSSDSSNSSDSSDSSNSSDSSESSNSSDNSNSSDSSNSSDSSDSSDSSNSSDSSNSS DSSNSSDSSDSNSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSNSSD SSNSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSD SSESSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSSN SSDSSDSSESSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSD SSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSNESSDSSDSSDSSDSSNSSDSSDSSDSSD STSDSNDESDSQSKSGNGNNNGSDSDSDSEGSDSNHSTSDD

Dentin sialophosphoprotein

(8)

Egy tudományterület születése

(9)

De mégis mi az, hogy rendezetlen fehérje?

(10)

PDB: 3U88, 2MSR

Lázár et al. (2016) Biology Direct

(11)

A rendezetlen fehérjék specifikus tulajdonságai

1. Sajátos aminosav összetétel

2. Nyílt és oldószernek kitett peptidlánc 3. Flexibilitás, mobilitás

4. Szerkezeti heterogenitás (sokaság)

5. Nagy hidrodinamikai térfogat

(12)

Habchi et al. (2014) Chem. Rev.

order-promoting disorder-promoting

(13)

A rendezetlen fehérjék specifikus tulajdonságai

Hasonlítanak a denaturált globuláris fehérjékhez, de NEM azonosak velük.

1. Extrém ellenállóképesség: hő- és kémiai stabilitás

2. Proteolitikus érzékenység

3. Mobilitási anomáliák: SDS-PAGE, méretkizárásos

(14)

1. Entrópikus láncok

rugalmasság, változatos kötéstávolság 2. Specificitás erős kötődés nélkül

reverzibilitás, indukálhatóság

3. Nagy kötőfelszín a komplexekben specificitás, több partner

4. Gyors kötődés

aktiválás, gátlás, felismerés 5. Kötődési promiszkuitás

one-to-many signaling, moonlighting 6. Flexibilitás

komplexek összeszerelése

előnyei

(15)

Rendezetlen fehérjék és betegségek

(16)

Szerkezet-funkció paradigmaváltás

Szerkezet = funkció

Szerkezet

Molten globula Pre-molten globula

Rendezetlenség

(17)

Indukált feltekeredés

(18)

Összességében

1. A fehérjék lehetnek globulárisak, rendezetlenek, ezek keveréke, de mindegyik állapotból eredhet funkció

2. A rendezetlenség általános jelenség, a proteomok jelentős része rendezetlen

3. Rendezetlen fehérjék, fehérje-szakaszok fontos funkciókat látnak el

4. A rendezetlen fehérjék kémiailag, fizikailag és

funkcionálisan is eltérnek a globuláris fehérjéktől

(19)

Honnan tudjuk, hogy egy fehérje rendezetlen?

1. Hiányzó elektron-denzitás a kristály szerkezetben

Erős bizonyíték, de nem ad részletes információt

2. Szerkezet-meghatározó módszerek: NMR, SAXS, CD, MS

Erős bizonyítékok, részletes, nagy felbontású szerkezeti információt szolgáltatnak

3. Fizikai módszerek: abnormális mobilitás,

hőstabilitás, proteolitikus érzékenység

(20)

A rendezetlen fehérjék gyakoriak a proteomokban

az expresszálódó fehérjék kb. harmada rendezetlen

A szerkezeti rendezetlenség és a hozzá köthető specifikus funkciók

élettani szempontból fontosak

(21)

Publikációs aktivitás

(22)

Rendezetlen fehérjéket gyűjtő adatbázisok

1. Szekvencia (DisProt, MobiDB, IDEAL) 2. Szerkezeti (PED, FuzDB)

3. Interakciós (ELM, DIBS, MFIB)

(23)

Mire használjuk az adatbázisokat?

1. Információ gyűjtésre adott fehérjéről

2. Nagyszabású bioinformatikai elemzésekre 3. Algoritmusok fejlesztésére, tesztelésére

4. A rendelkezésre álló információ

rendszerezésére, kategorizálására

(24)

Szekvenica adatbázisok

(25)

DisProt

http://www.disprot.org

Megjelenés: 2005 – 179 fehérje, 290 rendezetlen szakasz

Jelenlegi adatbázis - utoljára

2016-ban frissítették – 803 fehérje, 2167 rendezetlen szakasz

Következő frissítés: 2019 év vége

Piovesan (2016)

NAR

(26)

Kísérletesen igazolt rendezetlenség

1. Minden fehérjéhez/régióhoz tartozik mérési módszer és hivatkozás a publikációra

2. Szakértők töltik fel az adatokat: csak ellenőrzött adatok kerülnek az adatbázisba

3. A hibás bejegyzéseket folyamatosan javítják

4. A rendezetlenség legmegbízhatóbb adatbázisa

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK Kísérletes bizonyíték Hibás adatok

Minden típusú rendezetlenség

Ambivalens esetek

Konkrét irodalmi hivatkozás Lassan bővül Rendezetlen régiók

funkciója

Szűk, egyenlőtlen lefedettség

DisProt összefoglalás

(34)

MobiDB

http://mobidb.bio.unipd.it

(35)

Minden, ami rendezetlenség

1. Több adatbázis és predikciós módszer egyesítése 2. Automatizált adatfelvitel

3. A rendezetlenség minden aspektusát

tartalmazza (hosszú és rövid szakaszok, alacsony

komplexitású régiók)

(36)

Felhasznált adatbázisok

Felhasznált módszerek

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK

Nagyon nagy lefedettség Sokszor „csak” predikciók Többféle forrásból

származó információ szintézise

Nincs szakértő kontroll

Konszenzus rendezetlenség predikciót ad

Funkcionális annotáció nincs Átfogó kép egy fehérjéről Kevés specifikus adat

MobiDB összefoglalás

(43)

IDEAL: Intrinsically Disordered proteins with Extensive Annotations and

Literature

http://www.ideal.force.cs.is.nagoya-u.ac.jp/IDEAL/

Megjelenés: 2011 – 153 fehérje, Jelenlegi adatbázis - utoljára

2017-ben frissítették – 913 fehérje,

9003 egyedi rendezetlen szakasz

(44)

1. Kézi annotáció, olyan fehérjékről melyekről több publikáció született

2. Szerkezeti besorolás: PDB szerkezet

3. Rendezetlenség: hiányzó kristályszerkezet, mozgékony vagy flexibilis szakaszok NMR, CD és egyéb mérésekben

4. „Protean segment” (ProS): kötődéskor feltekeredő szakaszok

A másik kísérletes adatbázis

(45)

(46)

(47)

Interakciós hálózatok az IDEAL-ban

(48)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK Közepesen nagy lefedettség Többségében humán

fehérjék

Interakciós régiók Nincs funkcionális információ

PTM és interakciós hálózat Funkcionális annotáció nincs Kísérletes adatok alapján Kevés specifikus adat

IDEAL összefoglalás

(49)

DisProt MobiDB IDEAL Bizonyíték Kísérletes

bizonyíték Predikciók és közvetett bizonyítékok

Kísérletes és közvetett bizonyítékok is

Annotáció Kézi Automatikus Kézi

PPI hálózat információ

Csak páros interakciók

Van

Lefedettség Kicsi, torzított Nagy Közepes, torzított Rendezetlenség a

teljes szekvencián

Nem Részletes +/-

Globuláris domének Igen Igen Igen

PTM Kontexus függő Nem Igen

Funkcionális annotáció

Részletes, hivatkozással

Nincs Nincs

Szekvencia adatbázisok összehasonlítása

(50)

Szerkezeti adatbázisok

(51)

1. Kísérletesen meghatározott szerkezeti sokaságok

2. Cél: olyan szerkezeti adatok szolgáltatása, amelyek racionális molekulatervezés alapját adhatják

3. Rendezetlen fehérjék szabad állapotáról ad részletes szerkezeti leírást

A “rendezetlen PDB”

(52)

PED ² : Protein Ensemble Database

http://pedb.vib.be

Megjelenés: 2013

Jelenlegi adatbázis: 24 fehérje,

60 szerkezeti sokaság, 25473

egyedi szerkezet

(53)

(54)

(55)

(56)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK

Szerkezeti sokaságok Kevés adat

Letölthető, részletes mérési adatok

Kérdéses gyakorlati haszon Szerkezet szabad állapotban 2016 óta nem frissül

PED összefoglalás

(57)

Rendezetlenség kötött állapotban

Fuzzy komplexek

(58)

1. Kísérletesen meghatározott komplexek

2. Különböző mértékű rendezetlenség a komplexen belül

3. Rendezetlen fehérjék kötött állapotáról ad részletes szerkezeti leírást

A fuzzy komplexek adatbázisa

(59)

FuzDB: Fuzzy Complexes Database

http://protdyn-database.org/index.php

Megjelenés: 2015 – 85 komplex Jelenlegi adatbázis: 110

komplex

(60)

(61)

(62)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK

Fuzzy komplexek Kevés adat

Igen részletes funkcionális leírás Kicsit körülményes használat Széles spektruma a különböző

interakcióknak

Nincsenek adatok az adatbázisban

FuzDB összefoglalás

(63)

PED FuzDB

Szerkezet Szabad állapotban Kötött állapotban

Sokaság Igen Nem

Mérési adatok Hozzáférhetők Nem feltétlenül

hozzáférhetők

Lefedettség Kicsi Közepes, növekvő

Funkcionális leírás Tömör Részletes

Módszerek NMR, SAXS NMR, SAXS, X-Ray

Kötő partner Nincs Van

Szerkezeti adatbázisok összehasonlítása

(64)

Interakciós adatbázisok

(65)

A rendezetlen fehérjék “interakciós specialisták”

Tompa et al. (2015) COStBi

A rendezetlen felismerő szakaszok felosztása

1. Lineáris motívum (ELM): rövid, 5-25 aa hosszúságú,

rendezetlenebb a

környezeténél, szekvencia mintázat

2. Felismerő elem (MoRF,

PresMo): hosszabb, 20-50 aa hosszúságú, tranziens

szerkezettel rendelkezik

Közös jellemző: nagy szerkezeti és

szekvenciális változatosság, nagyon

(66)

A lineáris motívumok gyűjtőhelye

1. Kísérletes adatokon alapszik 2. Kézi annotáció

3. Nagyon nagy adatmennyiség

4. Szerkezeti és szekvenciális információ is

5. Predikció

(67)

ELM: Eukaryotic Linear Motif resource

http://elm.eu.org

Megjelenés: 2003 – 146 motívum, 1300 előfordulási hely

Jelenlegi adatbázis: 268 motívum,

3700 előfordulási hely

(68)

(69)

(70)

(71)

(72)

(73)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK Hatalmas adatmennyiség Kicsit nehéz benne eligazodni Kereshető, predikálható A predikciók nem mindig megbízhatók Irodalmi adatokon alapszik Torzított

Kézzel annotált Viszonylag lassan bővül

Nyitott Hibás bejegyzések lehetnek, főleg a

“jelölt” kategóriákban

ELM összefoglalás

(74)

Szerkezetek kötött állapotban

1. Két hasonló adatbázis: globuláris/rendezetlen ill.

Rendezetlen/rendezetlen partnerek szerkezete 2. PDB szerkezeteket tartalmaznak

3. Kézzel annotáltak

(75)

MFIB: Mutual Folding Induced by Binding

http://mfib.enzim.ttk.mta.hu

DIBS: Database of Disordered Binding

Sites

http://dibs.enzim.ttk.mta.hu

Megjelenés: 2017 – 205 elem, 1406 szerkezet

Megjelenés: 2017 –773

(76)

(77)

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK, HIÁNYOSSÁGOK

Különleges komplexek Kevés adat

Sok konkrét információ Torzítottak Irodalmi adatokon alapszanak Lassan bővülnek

Jól csoportosított információ A fuzzy komplexek hiányoznak

MFIB, DIBS összefoglalás

(83)

ELM MFIB, DIBS

Szerkezet Közvetetten Kötött állapotban

Sokaság Nem Nem

Mérési adatok Közvetetten Közvetetten

Lefedettség Nagy, növekvő Kicsi

Funkcionális leírás Részletes Részletes

Módszerek Változatos NMR, X-Ray

Kötő partner Kontextus függő Van

Interakciós adatbázisok összehasonlítása

(84)