Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálataTusnády Gábor

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIATERMÉSZETTUDOMÁNYI KUTATÓKÖZPONTENZIMOLÓGIAI INTÉZETLENDÜLET MEMBRÁNFEHÉRJE BIOINFORMATIKA KUTATÓCSOPORTHTTP://MBK.ENZIM.TTK.MTA.HU

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIATERMÉSZETTUDOMÁNYI KUTATÓKÖZPONT

2

BioinformatikaTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Biokémia

Kémia

Informatika

Matematika

Statisztika

Számítástechnika Biotechnológia

Biológia

Adatok

Szerverek

Algoritmusok


3

BioinformatikaTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Sciencemag.orgSciencemag.org

1. Bioinformatics2. Communications3. Combinatorial chemistry4. Genomics5. Neuroscience


4

Transzmembrán fehérjék biológiai jelentősége

Tusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Plazma membrán

Durva felszínűendoplazmatikus retikulum

RiboszómaMitokondrium

Citoplazma

Lizoszóma

Mikrotubulus

Sima felszínű endoplazmatikus retikulum

Szabad riboszómaCentrólium

Golgi komplex

SejtmagSejtmagvacska

KromatinSejtmagpórus

Sejtmaghártya

Plazma membrán:Anyag és

információ áramlás

Riboszóma: fehérjeszintézis

Mitokondrium: energiatermelés

25-30% TM fehérje(6-8 ezer)

Forgalomban levő gyógyszerek fele valamilyen TM

fehérjével kölcsönhat


5

Bioinformatika szerepe a TM fehérjék szerkezet kutatásában

Tusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

6-8 ezerhumán TMAminosavszekvencia

16 térszekezet

100 ezerFehérje

tér-szerkezet

2000 TM Fehérje tér-szerkezet

~100 humán TM térszerkezet

• Szerkezet különböző szintjeinek becslése• Topográfia becslés• Topológia becslés• TM szerkezet becslés• Teljes szerkezet becslés

• Adatbázisok fejlesztése• Funkciók szerint• Topológiai adatok• Szerkezeti adatok


6

TM fehérjék szerkezeti szintjeiTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

TopográfiaTM hélixek szekvencián belüli elhelyezkedése

TopológiaTM hélixek szekvencián belüli elhelyezkedéseTM hélixek közötti szekvencia darabok

membránhoz való viszonya (kint/bent)

3D szerkezetAtomi koordináták

3D szerkezet a membránbanAtomi koordinátákBiológiailag aktív oligomer szerkezeteAtomi koordináták és a kettős lipid réteg

egymáshoz viszonyított helyzete

CN

CN kint

membrán

bent


7

CCTOP eljárásTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Transzmembrán?

Szekvencia

Poszttranszlációs

módosítások

Kísérleti adatok

Topológia becslő eljárások

Consensus Constrained

TOPology prediction

XML

i

n

Kísérleti, bioinformatikai adatok

Becslő módszerek

CCTOP becslés

Dobson et al (2015) Nucleic Acids Res 43, W408-12.http://cctop.enzim.ttk.mta.hu


8

CCTOP eljárásTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

TMFilter Szignál peptid TopológiaSzenzitivitás 0.98 0.92 0.96Specificitás 0.99 0.98 0.95

MCC 0.97 0.90 0.95Topográfia 82%Topológia 82%

Dobson et al (2015) Nucleic Acids Res 43, W408-12.http://cctop.enzim.ttk.mta.hu


9

TOPDB adatbázisTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Tusnady et al (2008) Nucleic Acids Res 36, D234-9.Dobson et al (2015) Nucleic Acids Res 43, D283-9.

http://topdb.enzim.hu


10

TOPDOM adatbázisTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

UniProt adatbázis

Domén1Domén2Domén3

DoménN

Domén adatbázis

…

Motívum adatbázis

…Motivum2

MotivumN

Motivum1

Motivum3

TOPDOM adatbázisKívülDomén1

Motivum1

Motivum3

BelülDomén3

MotivumN

Tusnady et al (2008) Bioinformatics 24, 1469-70..Varga et al (2016) Bioinformatics btw193 (in press)

http://topdom.enzim.hu


11

TOPDOM adatbázisTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Tusnady et al (2008) Bioinformatics 24, 1469-70..Varga et al (2016) Bioinformatics btw193 (in press)

http://topdom.enzim.hu


12

HTP adatbázisTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Dobson et al (2015) Biol Direct 10, 31.http://htp.enzim.hu


13

Vissza a membránba!Tusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Tusnady et al (2004) Bioinformatics 20, 2964-72.Tusnady et al (2005) Bioinformatics 21, 1276-7.

http://tmdet.enzim.hu


14

Vissza a membránba!Tusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

TMDET eljárás• A fehérjét 1Å-os szeletekre vágjuk• Szeletenként kiszámoljuk

• lipid molekulák számára hozzáférhetőfelszín hidrofóbicítását

• A szeleten átmenő másodlagos szerkezetek (a-hélix, b-szál) arányát az összes átmenő szegmenshez viszonyítva

• A szeletben visszaforduló polipeptid láncdarabok arányát

• Adott szeletelés mellett megkeressük azt a 15Å-os darabot, amire a szeletekre kapott valószínűségek összege a legnagyobb

• A szeletelést a tér 4p irányában diszkrét lépésekben elvégezzük, és megkeressük a legnagyobb értéket adó irányt

Tusnady et al (2004) Bioinformatics 20, 2964-72.Tusnady et al (2005) Bioinformatics 21, 1276-7.

http://tmdet.enzim.hu


15

PDBTM adatbázisTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

Tusnady et al (2004) Bioinformatics 20, 2964-72.Tusnady et al (2005) Nucleic Acids Res 33, D275-8.

http://pdbtm.enzim.hu


16

3D szerkezet modellezésTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

A generált modell megbízhatósága

Ismeretlen szerkezet, ismert aminosav szekvencia…AKMLPLKERTLKKKMSSHKKLTYTREWQAM…

Van „rokon” térszerkezet

Nincs „rokon” térszerkezet

Szekvencia azonosságNa

plem

ente

zo

na

Fold

fe

lism

erés

15-25%

Homológia modellezés

„de novo” szerkezetbecslés:

• Molekula dinamika• Kontaktus becslés

Kísérleti adatokErőtér

paraméterek

Statisztikus potenciálok

Kozma and Tusnady (2014)


17

TMFoldRec: szerkezet felismerésTusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

1 2 3 4 5 60%20%40%60%80%

100%

Saját klaszter sorszáma

Po

nto

ss

ág

Statisztikus potenciálon alapuló eljárás, amely a becsült topológia alapján keresi a meglevő szerkezetek között azt, amelyre a legkisebb a számolt energia.

Szám

olt e

nerg

ia

Aminosav-aminosav

kölcsönhatás

Aminosav-lipid

kölcsönhatás

E=∑𝛼 ,𝛽

𝑎𝑎

𝜖𝛼𝛽𝑛𝛼𝛽+∑𝛼

𝑎𝑎

h𝛼𝑛𝛼

Kozma and Tusnady (2015) BMC Bioinformatics 16, 201.Kozma and Tusnady (2015) Biol Direct 10, 54.

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


18

Köszönöm a figyelmet!Tusnády Gábor: Transzmembrán fehérjék bioinformatikai vizsgálata

• MTA TTK Enzimológiai Intézet• Dr. Simon István• Dosztányi Zsuzsanna• Kalmár Lajos

• MTA Rényi Alfréd Matematikai Kutató Intézet• Dr. Tusnády Gábor

• Membránfehérje Bioinformatika Kutatócsoport• Dobson László• Gergely Zsuzsanna• Kozma Dániel• Langó Tamás• Molnár János• Reményi István• Varga Julia

• Anyagi támogatás• NKTH• OTKA• MTA Lendület Program


19