In silico eljárás makromolekulák tervezéséhez

ELTE eScience RET

2.4-es alprojekt

Résztvevők:

Projektvezető: Jakó Éena, Ph.D., ELTE RET eScience

ICF alkalmazása molekuláris filogenetikai analízisbenAri Eszter, doktorandusz, Genetikai TanszékPodani János, D.Sc., Növényrendszertani és Ökol. Tanszék

In silico molekulatervezési módszer in vitro tesztelésePál Gábor, Ph.D., Biokémiai TanszékSzenes Áron, doktorandusz, Biokémiai Tanszék

SzoftverfejlesztésIttzés Péter, Ph.D., ELTE RET eScience Horváth Arnold, szoftverfejlesztő, informatikusKun Ádám, Ph.D., Collegium Budapest

Kovács Attila, Ph.D. Tátrai Antal, doktorandusz

Az ICF (Iterative Canonical Form) rövid ismertetése

• Eredetileg Boole függvények minimalizálására (Normálforma)• Részben-rendezett halmazokon értelmezhető• Kódolás: a részben-rendezett halmaz megfeleltetése a vizsgált strukúrának• A részben-rendezést meghatározó reláció alapján a kódolt adatstrukúrát átrendezhetjük és ez az esetek egy jelentős részében információ vesztés nélküli tömörítés• Megkönnyíti az osztályozást• A struktúra átalakítása reflektálhat a funkcióra

Az ICF elméleti háttere

Példa I.

• bináris string: 00111010•3 logikai változóval kódolva: a’bc’ + abc’ + a’b’c + a’bc

Példa távolságra

• Többféle távolságformulát alkalmaztunk: Euklideszi, Manhattan, Jaccard…

Bináris eset, x = 3, y = 0ED = 1,73

yxED

Az ICF eddigi alkalmazásai

• Mérnöki alkalmazás: kombinációs hálózatok és programozható logikai modulok tervezése (Hazai szabadalom)• Kémiai alkalmazás: molekuláris shape analízis• Ökológiai: fajkombinációk elemzése• Molekuláris taxonómia• Makromolekulák leírása

Ponttértkép

Matematikaimodell

fA = 01010010fT = 10000100fC = 00001000fG = 00100001Kódolás ICF

ICFeredménye

DendrogramICF Gráf

TAGACTAG

Szekvenciák

Az ICF 1.0 programcsomag I.

• ICF számítás•Többféle input:

•Bináris •Decimális •Nukleinsav•File import

•Eredmények mentése•Eredmények ábrázolása gráfokon

ICF alapú szoftverfejlesztés 2006

Az ICF 1.0 programcsomag II.

• Távolságok ICF alapján•Az ICF számításnál bemutatott input•Több távolságformula•Eredmények exportja•További elemzőprogramokhoz való kapcsolódás Pl.: SynTax 2000

Az ICF 1.0 programcsomag IV.

• Felhasználói kéziköny•Angol és magyar nyelven•A program menüjéből elérhető HTML formátumban

• Telepítő program•Windows•Mac

Az ICF 1.0 programcsomag V.

•Moduláris szerkezet•Általános, diszkrét matematikai feladatokra alkalmas központi mag•Erre épülnek az ICF-fel kapcsolatos modulok•A megjelenítést egy különálló grafikus réteg végzi•Könnyen bővíthető input/output modulokkal

•Objektum orientált - Java 1.5 alapú•Platformfüggetlen•Az algoritmust hatékonyabbá tettük, 263 hosszúságú bináris stringeket is kezel•Számokban:

•22 811 db kódsor•120 osztály•9 template

•Tesztelés: ~ 200 teszt eset, jegyzőkönyv

A hagyományos és az ICF alapú megközelítések összehasonlítása

• Hagyományos filogenetikai módszerek:– Alap feltevés: az egyes

nukleotidok egymástól függetlenül evolválódnak

– Az egyes pozíciókon lévő nukleotidok hasonlóságán alapszik

– Nagyon hasonló ill. nagyon különböző szekvenciák nem elemezhetőek ilyen módszerekkel

• ICF módszer:

– Alap feltevés: az egyes nukleotidok egymástól NEM függetlenül evolválódnak

– A szekvenciák absztrakt szerkezetének hasonlóságán alapszik

– Nagyon hasonló ill. nagyon különböző szekvenciákat is lehet elemezni

Az ICF, mint molekuláris filogenetikai módszer

Az ICF alkalmazásai I.

A nagy emberszabású majmok leszármazási viszonyai

ICF vektorokMP

ML

Bayes analízis

NJ

Jaccard

ICF

Manhattan

távolság mátrix

NJ

szubsztitúciós modell

távolság mátrix

Hagyományos módszerek

Diszkrét matematikaimódszer

• 22 mitokondriális tRNS gén

• Öt módszer

• Számos fa

• Konszenzus törzsfák

Az eredmények

ésBayes

másodlagos szerkezete harmadlagos szerkezete

A transzfer RNS

DHU hurok

antikodon hurok

Tψ C hurok

Extra hurok

aminosav kötő hely

aminosav kötő hely

Az ICF validálása identitásváltást okozó tRNS mutációk vizsgálatával

Az ICF validálása identitásváltást okozó tRNS mutációk vizsgálatával

Gráfok közötti távolságok ábrázolása

Az ICF validálása identitásváltást okozó tRNS mutációk vizsgálatával

Új antibiotikum célpontok keresése az ICF módszerrel

• az antibiotikumok használhatósága rohamosan csökken a rezisztens mikroba törzsek kifejlődése miatt

Az ICF alkalmazásai II.

• A patogének elleni küzdelem egyik módja eddig nem kiaknázott molekuláris célpontok elleni antibiotikumok kifejlesztése.

• A célpont esszenciális kell, hogy legyen a mikroba számára.

• A célpontnak el kell térnie a humán megfelelőjétől.• A tRNS és aminoacil-tRNS szintetáz (AARS)

kölcsönhatás gátlása ideális antibiotikum mechanizmus lehet.

• Az AARS enzimek működése esszenciális a sejt számára.

• 20-féle AARS enzim van, mindegyikből csak egyféle (nincsenek izoenzimek).

• Mind az AARS enzimek, mind a tRNS-ek mutatnak eltéréseket prokarióta – eukarióta vonatkozásban.

• Melyik tRNS-szintetáz kapcsolat a leginkább eltérő a humán-mikroba rendszerekben?

1111111111122222222222333333333334444444444555555555566666666667777 1234567890123456778900012345678901234567890123456789012345678901234567890123 a abhsapi_Ala_TGC: GGGGATGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCATGCTTTGCATGTATGAGGTCCCGGGTTCGATCCCCGGCATCTCCAhsapi_Ala_TGC: GGGGGTGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCACATGCTTTGCATGTGTGAGGCCCCGGGTTCGATCCCCGGCACCTCCAhsapi_Ala_TGC: GGGGGTGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCATGCTTTGCATGTATGAGGTCCCGGGTTCGATCCCCGGCACCTCCAhsapi_Ala_TGC: GGGGGTGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCATGCTTTGCATGTATGAGGCCTCGGGTTCGATCCCCGACACCTCCAhsapi_Ala_CGC: GGGGATGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCATGCTTCGCATGTATGAGGCCCCGGGTTCGATCCCCGGCATCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGATGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCATGCTTAGCATGCATGAGGTCCCGGGTTCGATCCCCAGCATCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGGTGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCGTGCTTAGCATGTACGAGGTCCCGGGTTCAATCCCCGGCACCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGGTATAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCGTGCTTAGCATGCACGAGGTCCTGGGTTCGATCCCCAGTACCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGGTATAGCTCAGC--GGT--AGAGCGCGTGCTTAGCATGCACGAGGTCCTGGGTTCAATCCCCAATACCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGGTGTAGCTCAGT--GGT--AGAGCGCGTGCTTAGCATGCACGAGGCCCCGGGTTCAATCCCCGGCACCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGAATTAGCTCAAGC-GGT--AGAGCGCTTGCTTAGCATGCAAGAGGTAGTGGGATCGATGCCCACATTCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGAATTAGCTCAAGT-GGT--AGAGCGCTTGCTTAGCATGCAAGAGGTAGTGGGATCGATGCCCACATTCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGAATTAGCGCAAGT-GGT--AGAGTGCTTGCTTAGCATGCAAGAGGTAGTGGGATCGATGCCCACATTCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGAATTAGCCCAAGT-GGT--AGAGCGCTTGCTTAGCATGCAAGAGGTAGTGGGATCGATGCCCACATTCTCCAhsapi_Ala_AGC: GGGGAATTAGCTCAAGT-GGT--AGAGCGCTCGCTTAGCATGCGAGAGGTAGTGGGATCGATGCCCGCATTCTCCAhsapi_Phe_GAA: GCTGAAATAGCTCAGTT-GGG--AGAGCGTTAGACTGAAGATCTTAAAG-CCCTGGTTCAACCCTGGGTTTCAGCChsapi_Phe_GAA: GCCGAAATAGCTCAGTT-GGG--AGAGCGTTAGACTGAAGATCTAAAGGTCCCTGGTTCGATCCCGGGTTTCGGCAhsapi_Phe_GAA: GCCGAGATAGCTCAGTT-GGG--AGAGCGTTAGACTGAAGATCTAAAGGTCCCTGGTTCAATCCCGGGTTTCGGCAhsapi_Phe_GAA: GCCGAAATAGCTCAGTT-GGG–-AGAGCGTTAGACCGAAGATCTTAAAG-CCCTGGTTCAATCCCGGGTTTCGGCA

.

.

.

??

1111111111122222222222333333333334444444444555555555566666666667777 1234567890123456778900012345678901234567890123456789012345678901234567890123 a ab vchol_Ala_TGC: GGGGTTATAGCTCAGCT-GGG--AGAGCGCCTGCCTTGCACGCAGGAGGTCTGCGGTTCGATCCCGCATAACTCCA vchol_Ala_GGC: GGGGCTATAGCTCAGCT-GGG--AGAGCGCTTGCATGGCATGCAAGAGGTCTGCGGTTCGATCCCGCATAGCTCCA vchol_Phe_GAA: GCCCGGATAGCTCAGTC-GGT--AGAGCAGAGGATTGAAAATCCTCGTGTCGGTGGTTCGATTCCGCCTCCGGGCA vchol_Phe_GAA: GCCTCGATAGCTCAGTC-GGT–-AGAGCAGAGGATTGAAAATCCTCGTGTCGGTGGTTCGATTCCGCCTCGAGGCA

.

.

.

• Teljes humán tRNS szett ICF analízise • Teljes patogén mikroba tRNS szett ICF analízise • A legnagyobb mértékben eltérő humán-mikroba tRNS

párok azonosítása• Az azonosított párok funkcionális ellenőrzése• A nem-működő párokhoz tartozó mikroba szintetáz lesz

a potenciális antibiotikum célpont

A kísérletek végzése nemzetközi együttműködésben

• Együttműködési megállapodáson dolgozunk a világ egyik legelismertebb tRNS-kutató csoportjával, melyet Catherine Florentz vezet a Pasteur Egyetemen (Strasbourg)

• Az ICF tesztelése a Pasteur Egyetemen már karakterizált, de még nem közölt tRNS-eken jelenleg zajlik.

• Sikeres tesztelés esetén beindulhatnak a nagy volumenű kísérletek.

További tervek és lehetőségek

SzoftverfejlesztésAz ICF kiterjesztése:• fehérjeszekvenciák analízisére,• CHIP adatok kiértékelésére,• szociológiai adatok elemzésére

tRNS mutációk okozta mitokondriális rendellenességek vizsgálataCatherine Florentz, D.Sc. Pasteur Egyetemen (Strasbourg)

Expressziós CHIP alapú gyógyszer hatóanyag keresés (csontritkulás)Orosz László, D.Sc. Genetikai TanszékPonyi Tamás, Ph.D. Genetikai TanszékVellai Tibor, Ph.D. Genetikai TanszékBorsy Adrienn, doktorandusz Genetikai TanszékPodani János, D.Sc. Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék

tRNS - AARS komplexek 3D modellezésePaul G. Mezey, D.Sc. Newfoundlandi Egyetem (Canada)Simon Éva, doktorandusz Newfoundlandi Egyetem (Canada)