Analisis de Secuencia Orientado a Dominios Cursos de Doctorado 2006

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Isabel Rivas Correa
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1 Analisis de Secuencia Orientado a Dominios Cursos de Doctorado 2006 UAM Luis Sánchez Pulido Centro Nacional de Biotecnología CSIC

2 Por qué analizamos secuencias? Proteínas de Secuencia conocida 3D Función Ambas?????

3 ESTAMOS DESBORDADOS!!! Crecimiento de las bases de datos de secuencias. Tomado de www3.ebi.ac.uk/services/dbstats/

4 Gracias a la identificación de homología entre proteínas, podemos TRANSFERIR INFORMACIÓN Estructural y/o Funcional

5 Homólogos: par de proteínas con un ancestro común....y dependiendo del motivo de su divergencia: ortólogos especiación parálogos duplicación génica xenólogos transferencia horizontal

6 TRANSFERIR INFORMACIÓN Estructural a partir de proteínas HOMÓLOGAS de estructura conocida por RayosX, RMN o ME Funcional a partir de proteínas HOMÓLOGAS caracterizadas experimentalmente... y su contexto genómico y proteómico.

Funcional a partir de proteínas HOMÓLOGAS caracterizadas

7 Reglas establecidas en el modelado por homología. La estructura se conserva mejor que la secuencia. D'Alfonso G, Tramontano A, Lahm A. Structural conservation in single domain proteins: implications for homology modeling. J Struct Biol. 134, (2001)

8 Comparando Pares de Proteínas de Estructura Conocida: 100 Identidad 50 20% Tamaño Zona en Penumbra Chothia & Lesk 1986 = = o o Rmsd > 3A Rmsd < 3A

9 La Zona en Penumbra Rost B. (1999) Twilight zone of protein sequence alignments. Protein Eng. 12: Verdaderos Negativos

10 Como ejemplo de Homología Remota: 1NYN 1P9Q Familia SBDS

11 FUNCIÓN? A pesar de ser proteínas homólogas... La función puede ser bastante divergente Pero... TODAS unen GTP

12 Transferencia de Información FUNCIONAL Devos et al.

13 La Madre Naturaleza Consintió Dependen de la Definción de Función

14 Tarea Compleja la de transferir información estructural y/o funcional entre proteínas homólogas. Qué Hacemos?? Dividir cada una de las dificultades a examinar, en tantas partes como sea posible y necesario para resolverlas mejor

? Dividir cada una de las dificultades a examinar, en

15 DEFINICIÓN DE DOMINIO Los dominios de proteínas han sido descritos, desde un punto de vista estructural, como unidades estructurales compactas y localmente independientes, caracterizadas usualmente por un núcleo hidrofóbico bien definido. Desde el punto de vista del análisis de secuencia, los dominios se definen como regiones conservadas evolutivamente y adquieren mayor relevancia si son descritos como módulos móviles, es decir, presentes en diferentes familias de proteínas de arquitectura diversa.

Desde el punto de vista del análisis de secuencia, los dominios se definen como regiones conservadas evolutivamente y

17 Dificultades en la identificación de dominios a partir de secuencia Regiones de composición extraña o de baja complejidad Repeticiones y zonas transmembrana y a nivel estructural:

18 REPETICIONES En el límite de la definición de DOMINIO LRR HEAT TPR PFTA beta l WD40 Protein repeats. Short specialist review for the Encyclopedia of Genomics, Proteomics, and Cedida por: Perez Iratxeta C, Andrade MA (2005) Bioinf. Ed. Wiley and Sons Ltd., UK.

Short specialist review for the Encyclopedia of Genomics,

19 Evolución de Proteínas: el papel de los dominios Barajado + Acreción Familia CGBP CGBP_HUMAN CxxC PHD PHD dphd Q9W352_Drome dphd CxxC PHD SPP1/SET1C Q03012_Yeast dphd DATF1_HUMAN (DIDO 1) TFS2M PHD PHF3_HUMAN TFS2M PHD Q9VG78_Fly SPOC s_zf dphd s_zf SPOC TFS2M PHD dphd YKA5_YEAST SPOC BRK PHD TFS2M SPOC RBMF_HUMAN RRM Familia SPEN RRM RRM SPOC Q8IL17_Plasmodium RRM Q22855_Athaliana RRM RRM RRM SPOC SPOC Producen un aumento en la versatilidad funcional de las proteínas

Q9VG78_Fly SPOC s_zf dphd s_zf SPOC TFS2M PHD dphd YKA5_YEAST SPOC BRK PHD TFS2M SPOC RBMF_HUMAN RRM Familia SPEN RRM

20 Objetivos Del Analisis de Secuencia Orientado a Dominios La identificación de dominios a nivel de secuencia, evaluando su conservación y distribución entre diferentes familias de proteínas. Racionalizar e interpretar la similitud de secuencia en términos funcionales comunes, tales como: interacciones con otras moléculas o proteínas, mecanismos de reacción y/o regulación coincidentes, etc. Y en definitiva, aportar nuevas hipótesis de funcionalidad común entre diversas familias de proteínas homólogas, para su posterior verificación experimental.

Racionalizar e interpretar la similitud de secuencia en términos funcionales comunes, tales como: interacciones con otras moléculas o

21 Métodos de búsqueda de proteínas homologas ISS (Blast, FASTA) Comparación de pares de secuencias Perfiles (PSSMs: PsiBlast, HMMs) Recíproco!

22 Metodología común en la identificación de Dominios Secuencia Bases de Datos de secuencias HMMer dbest GenBank Bases de datos de Dominios ALINEAMIENTO HMMer DOMINIO Hipotético Conocimiento Bioquímico DOMINIO Confirmación Experimental Hipótesis Funcional Algunos Ejemplos:

23 SPOC: A widely distributed domain associated with cancer, apoptosis and transcription. Sanchez Pulido L, Rojas AM, Van Wely K, Martinez A C, Valencia A. CNB CSIC DATF1_HUMAN (DIDO 1) TFS2M PHD dphd SPOC

24 Dominio Asociado a DOS arquitecturas

26 Un Par Arginina Tirosina? ANALOGAMENTE... Resultados El par Arg Tyr en la interacción CBP CREB. La interacción de la Arginina 600 con la Tirosina 640 es esencial para definir la superficie de interacción del dominio KIX de la proteína CBP (cuatro hélices en primer plano: amarilla, cían, violeta y verde) con el dominio KID de la proteína CREB (dos hélices: rosa y marrón). Figura tomada de Xu et al., 2001.

27 Gas1 is related to the GFRα family and regulates Ret signaling Cabrera J.R., Sánchez Pulido L., Rojas A.M., Valencia A., Mańes S., Naranjo J.R. & Mellstrom B. (2005) CNB CSIC PROTEÍNA INICIAL: GAS1 (Growth Arrest Specific 1) FUNCIÓN: Regulación de procesos apoptóticos. En un primer abordaje: Péptido seńal Duplicación Interna GPI Anclaje

28 GAS1 & GFR α Modelo Estructura

30 Arquitectura similar

31 JR Cabrera CNB CSIC BIBLIOGRAFÍA Diferentes factores tróficos o ligandos: GDNF Glial cell Derived Neurotrophic Factor NRTN Neurturin ARTN Artemin PSPN Persephin La Familia GFRα converge en la transducción de la seńal en su interacción con la quinasa Ret > Y GAS1...?

32 Hipótesis generadas a partir del análisis de secuencias... confirmadas a nivel experimental.

33 De todos los sistemas naturales, la materia viva, sumida en una constante transformación, preserva inscrita en su organización gran parte de la historia de su génesis. Usando la expresión acuñada por Hegel, la vida es un sistema sumamente "aufgehoben": "Constantemente abolida y simultaneamente preservada". Por tanto, a la hora de entender los sistemas vivos actuales, debemos preguntarnos dónde reside la mayor parte de su historia pasada y como podemos extraerla". Bioinformática Emile Zuckerkandl y Linus Pauling, Molecules as documents of evolutionary history. J Theor Biol. 8: Evolutionary divergence and convergence in proteins. Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York,

34 CONCLUSIÓN Cada Proteína es un Mundo! As a general guide to functional annotation, it should be kept in mind that current methods for genome analysis, even the most powerful and sophisticated of them, facilitate, but do not supplant the work of a human expert. Eugene Koonin.

35 REFERENCIAS BASICAS: Zuckerkandl E, y Pauling L. (1965) Evolutionary divergence and convergence in proteins. Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York, Bork P, Gibson TJ. (1996) Applying motif and profile searches. Methods Enzymol. 266: Iyer LM, Aravind L, Bork P, Hofmann K, Mushegian AR, Zhulin IB, Koonin EV. (2001) Quoderat demonstrandum? The mystery of experimental validation of apparently erroneous computational analyses of protein sequences. Genome Biol. 2:RESEARCH0051. Dudas, Ruegos y Preguntas: sanchez@cnb.uam.es

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