Структурная геномика

редактировать
Пример структуры белка из Protein Data Bank.

Структурная геномика стремится описать трехмерную структуру каждого белка, кодируемого данным геномом. Этот основанный на геноме подход позволяет использовать высокопроизводительный метод определения структуры путем сочетания экспериментального и модельного подходов. Принципиальное различие между структурной геномикой и традиционным структурным предсказанием состоит в том, что структурная геномика пытается определить структуру каждого белка, кодируемого геномом, а не сосредотачиваться на одном конкретном белке. При наличии полногеномных последовательностей предсказание структуры может быть выполнено быстрее за счет комбинации экспериментального и модельного подходов, особенно потому, что наличие большого количества секвенированных геномов и ранее решенных белковых структур позволяет ученым моделировать структуру белка на структурах ранее решенных. гомологи.

Поскольку структура белка тесно связана с функцией белка, структурная геномика может дать информацию о функции белка. В дополнение к выяснению функций белков, структурная геномика может быть использована для выявления новых белковых складок и потенциальных целей для открытия лекарств. Структурная геномика включает использование большого количества подходов к определению структуры, включая экспериментальные методы с использованием геномных последовательностей или подходы, основанные на моделировании, основанные на последовательности или структурной гомологии с белком известной структуры или основанные на химических и физических принципах для белка, не имеющего гомологии с белком. любая известная структура.

В отличие от традиционной структурной биологии, определение структуры белка с помощью структурной геномики часто (но не всегда) происходит до того, как что-либо известно о функции белка. Это ставит новые задачи в структурной биоинформатике, то есть определение функции белка по его трехмерной структуре.

Структурная геномика подчеркивает высокую производительность определения белковых структур. Это выполняется в специализированных центрах структурной геномики.

В то время как большинство структурных биологов исследуют структуры отдельных белков или групп белков, специалисты по структурной геномике исследуют структуры белков в масштабах всего генома. Это подразумевает крупномасштабное клонирование, экспрессию и очистку. Одно из главных преимуществ этого подхода - экономия на масштабе. С другой стороны, научная ценность некоторых результирующих структур иногда ставится под сомнение. В статье Science от января 2006 г. анализируется область структурной геномики.

Одно из преимуществ структурной геномики, такой как Protein Structure Initiative, заключается в том, что научное сообщество получает немедленный доступ к новым структурам, а также к таким реагентам, как клоны и белок. Недостатком является то, что многие из этих структур состоят из белков с неизвестной функцией и не имеют соответствующих публикаций. Это требует новых способов передачи этой структурной информации более широкому исследовательскому сообществу. Ядро биоинформатики Объединенного центра структурной геномики (JCSG) недавно разработало подход на основе вики, а именно открытую сеть аннотаций структуры белка (TOPSAN) для аннотирования белковых структур, возникающих из высокопроизводительных центров структурной геномики.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Голы
  • 2 Методы
    • 2.1 методы de novo
    • 2.2 Методы, основанные на моделировании
      • 2.2.1 ab initio моделирование
      • 2.2.2 Последовательное моделирование
      • 2.2.3 Заправка резьбы
  • 3 Примеры структурной геномики
    • 3.1 Протеом Thermotogo maritima
    • 3.2 Протеом Mycobacterium tuberculosis
  • 4 Базы данных и классификации структуры белков
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дальнейшее чтение
  • 8 Внешние ссылки

Цели

Одна из целей структурной геномики - выявить новые белковые складки. Экспериментальные методы определения структуры белка требуют белков, которые хорошо экспрессируются и / или кристаллизуются, что может по своей природе смещать типы складок белков, проясняемые этими экспериментальными данными. Подход, основанный на геномном моделировании, такой как ab initio моделирование, может быть лучше в состоянии идентифицировать новые белковые складки, чем экспериментальные подходы, поскольку они не ограничены экспериментальными ограничениями.

Функция белка зависит от трехмерной структуры, и эти трехмерные структуры более консервативны, чем последовательности. Таким образом, высокопроизводительные методы структурной геномики могут помочь нам в понимании функций белков. Это также имеет потенциальные последствия для открытия лекарств и белковой инженерии. Кроме того, каждый белок, добавляемый в структурную базу данных, увеличивает вероятность того, что база данных будет включать гомологичные последовательности других неизвестных белков. Protein Structure Initiative (PSI) представляет собой многогранный усилия финансировалось Национальным институтом здравоохранения с различными научными и промышленными партнерами, направлена на повышение уровня знаний о структуре белка с использованием структурной геномики подход и улучшить методологию структурно-определения.

Методы

Структурная геномика использует преимущества завершенных последовательностей генома несколькими способами для определения белковых структур. Последовательность гена целевого белка также может быть сравнена с известной последовательностью, и структурная информация может быть затем выведена из известной структуры белка. Структурная геномика может использоваться для прогнозирования новых белковых складок на основе других структурных данных. Структурная геномика также может использовать подход, основанный на моделировании, который полагается на гомологию между неизвестным белком и решенной структурой белка.

de novo методы

Завершенные последовательности генома позволяют клонировать и экспрессировать в виде белка каждую открытую рамку считывания (ORF), часть гена, которая может содержать последовательность информационной РНК и белка. Затем эти белки очищаются и кристаллизуются, а затем подвергаются одному из двух типов определения структуры: рентгеновской кристаллографии и ядерному магнитному резонансу (ЯМР). Полная последовательность генома позволяет создать каждый праймер, необходимый для амплификации всех открытых рамок считывания, клонирования их в бактерии, а затем их экспрессии. Используя полногеномный подход к этому традиционному методу определения структуры белка, все белки, кодируемые геномом, могут быть экспрессированы одновременно. Этот подход позволяет определять структуру каждого белка, кодируемого геномом.

Методы на основе моделирования

ab initio моделирование

Этот подход использует данные о последовательности белков, а также химические и физические взаимодействия кодируемых аминокислот для прогнозирования трехмерных структур белков, не имеющих гомологии с решенными белковыми структурами. Одним из весьма успешных методов моделирования ab initio является программа Rosetta, которая делит белок на короткие сегменты и упорядочивает короткую полипептидную цепь в низкоэнергетическую локальную конформацию. Rosetta доступна для коммерческого и некоммерческого использования через публичную программу Robetta.

Последовательное моделирование

Этот метод моделирования сравнивает последовательность гена неизвестного белка с последовательностями белков с известной структурой. В зависимости от степени сходства между последовательностями структуру известного белка можно использовать в качестве модели для решения структуры неизвестного белка. Считается, что для высокоточного моделирования требуется не менее 50% идентичности аминокислотной последовательности между неизвестным белком и решенной структурой. Идентичность последовательностей 30-50% дает модель средней точности, а идентичность последовательностей ниже 30% дает модели низкой точности. Было предсказано, что необходимо будет определить не менее 16000 белковых структур для того, чтобы все структурные мотивы были представлены хотя бы один раз и, таким образом, позволяя точно определить структуру любого неизвестного белка посредством моделирования. Однако одним из недостатков этого метода является то, что структура более консервативна, чем последовательность, и поэтому моделирование на основе последовательностей может быть не самым точным способом прогнозирования структур белков.

Резьба

Технология Threading основывает структурное моделирование на сходстве складок, а не на идентичности последовательностей. Этот метод может помочь идентифицировать отдаленно родственные белки и может использоваться для определения молекулярных функций.

Примеры структурной геномики

В настоящее время предпринимаются попытки решить структуру каждого белка в данном протеоме.

Протеом Thermotogo maritima

Одной из текущих целей Объединенного центра структурной геномики (JCSG), являющегося частью инициативы по структуре белка (PSI), является определение структур всех белков термофильной бактерии Thermotogo maritima. T. maritima был выбран в качестве мишени для структурной геномики на основании его относительно небольшого генома, состоящего из 1877 генов, и гипотезы о том, что белки, экспрессируемые термофильной бактерией, легче кристаллизовать.

Лесли и др. Использовали Escherichia coli для экспрессии всех открытых рамок считывания (ORF) T. martima. Затем эти белки кристаллизовали, и с помощью рентгеновской кристаллографии определяли структуру успешно кристаллизованных белков. Помимо других структур, этот подход структурной геномики позволил определить структуру белка TM0449, который, как было обнаружено, демонстрирует новую складку, поскольку он не имеет структурной гомологии с каким-либо известным белком.

Протеом Mycobacterium tuberculosis

Целью Консорциума структурной геномики туберкулеза является определение структуры потенциальных мишеней для лекарств в Mycobacterium tuberculosis, бактерии, вызывающей туберкулез. Разработка новых лекарственных препаратов против туберкулеза особенно важна с учетом растущей проблемы туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью.

Полностью секвенированный геном M. tuberculosis позволил ученым клонировать многие из этих белковых мишеней в векторы экспрессии для очистки и определения структуры с помощью рентгеновской кристаллографии. Исследования идентифицировали ряд белков-мишеней для определения структуры, включая внеклеточные белки, которые могут участвовать в патогенезе, белки, регулирующие железо, текущие мишени для лекарств и белки, которые, по прогнозам, имеют новые складки. К настоящему времени определены структуры 708 белков, кодируемых M. tuberculosis.

Базы данных и классификации структуры белков

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-29 08:33:31
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте