ESTRUCTURA Y FUNCION EN BIOINFORMATICA: QUE PODEMOS PREDECIR

1
SELECCION DE TEMPLATES Y ALINEAMIENTO
2
Energía
X
Nativa
3

• Búsqueda homólogos con estructura conocida
• Selección homólogos de interés (miembros más
  cercanos, criterios adicionales)
• Obtención del alineamiento de la secuencia con
  los homólogos
• Cálculo del modelo
• Contraste del modelo
• Experimentación
• Feed-back con el modelo

4
Búsqueda de homólogos de estructura conocida
5

• SIMILITUD ENTRE SECUENCIAS INDICA SIMILITUD ENTRE
  ESTRUCTURAS Y FUNCION

6
HOMOLOGIA Y COMPARACION DE SECUENCIAS

• SIMILITUD ENTRE SECUENCIAS
• HOMOLOGIA
• (Mismo orígen evolutivo)

7
ALINEAMIENTO DE SECUENCIAS
AGGVIIIQVG
AGGVLIQVG
AGGVIIIQVG AGGVL-IQVG
8
IMPORTANCIA ALINEAMIENTO

• Detección homólogos
• Construcción modelo estructural

9
Búsqueda de homólogos
BASE DE DATOS DE SECUENCIAS AGLM...WTKR TCGGLMN.
.HICG WRKCPGL ...
SECUENCIA INCOGNITA ATTVG...LMN
10
COMPARACION SECUENCIAS

• Construir alineamiento óptimo
• Puntuar candidato

11
COMPARACION DE SECUENCIAS

• HOMOLOGIA ALTA

AWTRRATVHDGLMEDEFAA
AWTRRATVHDGLCEDEFAA

• HOMOLOGIA BAJA

AWTKLATAVVVFEGLCEDEWGG
VHDGLMEDEFAA
AWTRRAT
12
Búsqueda de homólogos

• PUNTUACION SECUENCIAS BASE DATOS (Proteínas
  estructura conocida)
• LOCALIZACION CANDIDATO CON MAYOR PUNTUACION
• PREDICCION FUNCIONAL/ESTRUCTURAL POR
  ASOCIACION/HERENCIA

13
PROBLEMAS HABITUALES

• Solo hay familiares remotos
• BAJA SIMILITUD DE SECUENCIA
• DIFICIL TENER BUENOS ALINEAMIENTOS

14
ALINEAMIENTO DE SECUENCIAS

• OBTENER EL ALINEAMIENTO OPTIMO
• NECESARIO
• METODO PARA PUNTUAR AMINOACIDOS COMPARADOS
• METODO PARA CONSTRUIR LOS ALINEAMIENTOS

15
MATRIZ DE IDENTIDADES
16
(No Transcript)
17
NUMERO TOTAL DE ALINEAMIENTOS
DOS SECUENCIAS DE LONGITUD N Y M
18
HERRAMIENTAS BASICAS

• MATRIZ COMPARACION AMINOACIDOS (Dayhoff, 1972)
• ALGORITMOS DE COMPARACION DE SECUENCIAS
  (Needleman Wunsch, 1970).

19
MATRIZ DE DAYHOFF
PUNTUACION DE LOS AMINOACIDOS ALINEADOS
log(fij/qi.qj)
fij frecuencia de mutación de residuo i al
j qi, qj frecuencia de los residuos i, j
20
MATRIZ DE DAYHOFF

• REFLEJA LAS PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DE LOS
  AMINOACIDOS
• propensidades de estructura secundaria
• hidrofobicidad
• volumen

21
MATRICES COMPARACION SECUENCIAS

• BLOSUM62 (Henikoff Henikoff, 1992) derivada a
  partir de la comparación bloques de secuencias
• GONNET (Gonnet et al, 1992) alineamiento masivo
  de secuencias

22
ALGORITMO NEEDLEMAN WUNSCH
R_GFQ RYG_Q
23
GAPS (INSERCIONES/DELECIONES)

• LOCALIZADOS EN LOOPS

24
Candidato
?
25
GAPS (INSERCIONES/DELECIONES)

• ESQUEMAS DE PUNTUACION
• DEPENDIENDO DE ESTRUCTURA 2a
• VALOR CONSTANTE
• FUNCION LINEAL
• go n . gl

26
PROGRAMACION DINAMICA

• VENTAJAS PROPORCIONA UN ALINEAMIENTO
  REPRODUCIBLE Y OPTIMO
• DESVENTAJAS ES LENTO

27
METODOS SUBOPTIMOS

• 10 100 MAS RAPIDOS
• PROPORCIONAN ALINEAMIENTOS SUBOPTIMOS
• BLAST, FASTA

28
BLAST

• BLAST (Altschul et al, 1990)
• localiza pequeños fragmentos comunes
• extenderlos hasta que la puntuación cae

29
BLAST

• RAPIDO, ?segundos EXPLORAR GENBANK, PDB
• FILTROS BAJA COMPLEJIDAD
• INDICES DE FIABILIDAD

30
ESTADISTICA

• INDICE DE REFERENCIA
• E número de falsos positivos esperado
• Búsquedas esporádicas 0.01 0.001
• Búsquedas masivas (anotación genoma) 10-6

31
LIMITES COMPARACION SECUENCIAS

• EXISTENCIA DE PARENTESCOS INDETECTABLES
• PREDICCIONES ESTRUCTURALES DE BAJA CALIDAD EN
  MUCHOS CASOS

32
THE TWILIGHT ZONE

• IDENTIDAD INFERIOR AL 25
• SIMILITUD ESTRUCTURAL HOMOLOGIA REMOTA Y ANALOGIA

33
THE TWILIGHT ZONE

• HOMOLOGIA REMOTA ORIGEN EVOLUTIVO COMUN. E.G.
  HEMOGLOBINAS
• ANALOGIA CONVERGENCIA ESTRUCTURAL. E.G.
  HEMOGLOBINA Y COLICINA

34
(No Transcript)
35
USO DE ALINEAMIENTOS MULTIPLES

• SIMILITUD BAJA, DOS SECUENCIAS

• SIMILITUD BAJA, SECUENCIASMULTIPLES

GIFTDIDMHFYVKKPGLDEFFTLVLRTLCMAA
ALTTGIDMWTTAKRPDMDDYYTIIIPGLMNCI
AVTTGLNMWTTAKRPGMDDFYTILLPGLMNCI
GVTTGLNMYFTARRPGLDEFYTLVLRTLCMCL
GIFTDIDMHFYVKKPGLDEFFTLVLRTLCMAA
AVTTGLNMWTTAKRPGMDDFYTILLPGLMNCI
GLFTALNMHFFGRKPACEEYFTLVVDGLCNCI
36
(No Transcript)
37
ALINEAMIENTOS MULTIPLES

• RESIDUOS CONSERVADOS RELEVANTES PARA FUNCION O
  ESTRUCTURA
• PUNTUACION PONDERA LA CONSERVACION

38
PSI-BLAST

• BUSQUEDA UTILIZANDO ALINEAMIENTOS MULTIPLES
• BUSQUEDA BASE DE DATOS
• CONSTRUCCION POSITION-SPECIFIC SCORE
• ITERAR

39
PSI-BLAST

• PSI-BLAST NO ENCUENTRA LO QUE NO HAY EN LA
  PRIMERA BUSQUEDA BLAST
• DEFINIR E PARA LA INCLUSION DE SECUENCIAS (0.01)

40
THREADING/FOLD RECOGNITION

• ESTRATEGIA SIMILAR COMPARACION DE SECUENCIAS
• USO BASE DE DATOS ESTRUCTURAL
• DIFERENTE PUNTUACION CANDIDATOS

41
ATTWV....PRKSCT
..........
10.5
5.2
gt
..........
42
COMPARACION SECUENCIA-ESTRUCTURA

• EVALUAR EL GRADO DE AJUSTE DE LA SECUENCIA A LA
  ESTRUCTURA
• UTILIZAR PROPIEDADES DIVERSAS DISTANCIAS
  INTERRESIDUO, ESTRUCTURA SECUNDARIA, ETC

43
Selección templates uso información adicional
1YTS, 2HNQ TIROSINA-FOSFATASA
................
Proyecto 2HNQ ....HYTTWPDFGVP... CANDIDAT
O 1YTS ....HVGNWPDQTAV...
Proyecto 2HNQ .....HCSAGIGRS... CANDIDATO
1YTS .....HSRAGVGRT...
44
SELECCION TEMPLATES

• Varios candidatos, similitudes bajas (30 - 35 )
• Bibliografía sólo SSAO en H.Polymorpha y E.coli
  con TPQ en orientación correcta (modelos previos
  erróneos).

45
RESTRICCIONES CENTRO ACTIVO
46
SELECCION TEMPLATES

• Preferible X-ray sobre NMR
• Uso información experimental (e.g. centro activo)
• Preferible sin ligandos unidos, o generar dos
  modelos
• Vigilar la presencia de contactos en el cristal
• Preferible nativo sobre mutante

47
EL ALINEAMIENTO
48
ALINEAMIENTOS

• SECUENCIA - CANDIDATO
• Entre candidatos estructurales

49
ALINEAMIENTO ENTRE CANDIDATOS

• Alineamientos estructurales, ya disponibles
  (HOMSTRAD), mediante software (SAP, Taylor
  Orengo, 1989).
• Mejor pocos candidatos estructurales, y similares

50
ALINEAMIENTO TEMPLATES
51
ALINEAMIENTO SECUENCIAS-CANDIDATOS

• Relación entre similitud estructural y
  identidad
• Límite inferior del modelado 30
• Porcentaje diseño de fármacos gt 70 .

52
Similitud secuencia - estructura
53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
(No Transcript)
56
(No Transcript)
57
(No Transcript)
58
(No Transcript)
59
(No Transcript)
60
EL ALINEAMIENTO

• Baja similitud de secuencia gt alineamiento baja
  calidad
• Número de resíduos alineados gt limita calidad
  modelo (NW en GCG vs. BLAST)

61
Energía
Nativa
X
62
Energía
Nativa
X
63
Energía
X
Nativa
64
Energía
Nativa
X
65
Energía
Nativa
X
66
ALINEAMIENTO Y MODELADO
Modelo
Nativa
67
CALIDAD ALINEAMIENTO

• Uso de potenciales fuerza media (PROSA)
• Uso de propiedades composicionales (GCG)
• Análisis de propiedades locales

68
(No Transcript)
69
(No Transcript)
70
(No Transcript)
71
(No Transcript)
72
CALIDAD DEL ALINEAMIENTO

• Test global comparar la secuencia con N pérmutas
  (N1000).
• Calcular el Z-score resultante
• Si (alineamientos 100-200 aas)
• Z gt 15 Ideal
• 5 lt Z lt 15 70 resíduos core bien alineados
• Z lt 5 Problemáticos

73

• Alineamiento citrate synthase - transthyritin
• Z-score 7.55

• HHHHH--------HHHHHHHHHH-----HHHHHHHHHHHH-------HH
• LYLTIHSDHEGGNVSAHTSHLVGSALSDPYLSFAAAMNGLAGPLHGLAN
• LMVKVLDAVRGSPAINVAVHVFRKAADDTWEPFASGKTSESGELHGLTT
• EEEEEEE----EE----EEEEEEE-----EEEEEEEE-----EE-----

74
CALIDAD LOCAL

• Zonas mayor calidad independientes de pequeños
  cambios en los parámetros del alineamiento
  (posible utilizando GCG)
• Zonas de mayor calidad presentes en los
  alineamientos subóptimos

75
ALINEAMIENTOS SUBOPTIMOS

• Zonas comunes en los alineamientos subóptimos son
  las más fiables alinear ALLIM vs. ALLM
• Sc. 7 Sc.6
• ALLIM ALLIM
• ALL-M AL-LM

76
Alineamiento local
1YTS, 2HNQ TIROSINA-FOSFATASA
................
Proyecto 2HNQ ....HYTTWPDFGVP... CANDIDAT
O 1YTS ....HVGNWPDQTAV...
Proyecto 2HNQ .....HCSAGIGRS... CANDIDATO
1YTS .....HSRAGVGRT...
77
ALINEAMIENTO LOCAL

• Presencia de motivos PROSITE
• Adicionalmente fijar estructura del motivo al
  construir el modelo.

78
ESTRATEGIA

• Utiliar siempre que sea posible
• Alineamientos estructurales para los templates
  (vigilar orígen alineamientos sencillos o
  múltiples)
• Alineamientos múltiples (e.g. Pfam) para alinear
  la secuencia a los templates
• Análisis visual

79
ALINEAMIENTO SSAO RATON CON LAS TEMPLATES

• Obtener alineamiento Pfam SSAO
• Obtener alineamiento HOMSTRAD 1spu, 1a2v de Pfam
• Eliminar 1spu, 1a2v de Pfam
• Alineamiento Homstrad con Pfam mediante CLUSTALW

80
CONCLUSIONES SENTIDO COMUN !!

• Analizar la calidad de los candidatos ello
  decide el límite del modelado y del problema
• Examinar el alineamiento, y eventualmente generar
  varios modelos (buscar consistencia con datos
  experimentales)