9. Genomika 1.

Bevezetés
Genomadatbázisok
Számítógépes funkcionális genomika
Szerkezeti genomika

Bevezetés

Új korszak hajnala

Új korszak, paradigmaváltás, forradalom: a teljes genomok ismeretében a biológia adatokban gazdag tudománnyá válik. Új kutatási módszerek, új szemlélet.
Hajtóerők:
- Genomszekvenálási projektek (>60 teljes genom ismert, továbbiak vannak folyamatban)
- Új kísérleti módszerek: nagy áteresztőképességű, párhuzamosított eljárások a biológiai minták jellemzésére: microarray technikák
Bioinformatika (alapfeladata új szekvenciákhoz a funkció hozzárendelése):
- Genomok előtti korszak: a bioinformatika csúcsai a homológián alapuló módszerek (BLAST, PSI-BLAST, felfűzés, stb.). Ez volt eddig ("klasszikus bioinformatika")
- Genomok utáni korszak: egész sor új, nem homológián alapuló eljárás! Új bioinformatika.

Új tudományágak

Genomika

Genom: egy élőlény v. sejt teljes gén-, ill. DNS-állománya.
Genomika: a genom megismerése, ill. tanulmányozása, azaz a teljes genetikai információ felhasználása, szemben az egyes, kiválasztott gének vagy géncsoportok tanulmányozásával
Funkcionális genomika: a génekhez a funkció hozzárendelése genomikai módszerekkel (számítógépes [in silico] és kísérleti)
Szerkezeti genomika: a genomban kódolt fehérjék térszerkezetének kiderítése (számítógépes és kísérleti), ezek felhasználása (pl. a funkcionális genomikában)

Egyéb, teljes információval kapcsolatos fogalmak és tudományágak

Proteom: egy sejtben (annak adott állapotában) található, ill. expresszált fehérjék összessége
Proteomika: a proteom kutatása, vizsgálata (főleg kísérleti)
Transzkriptom, transzkriptomika: az mRNS-állomány, ill. vizsgálata
Metabolom, metabolomika: az anyagcserehálózat, ill. vizsgálata
... stb., az "omikák forradalma"

Genomadatbázisok

Ld. Entrez Genome: Összes ismert genom, hierarchikus szervezésben (kromoszóma, térképek, gének, stb.)

Számítógépes funkcionális genomika

Mi a génfunkció?

Számos szempont és megközelítés, ezek együttese adja a funkciót.

A funkció klasszikus jelentése: a molekuláris funkció (pl. milyen reakciót katalizál vagy milyen más molekulát köt az adott fehérje)
A funkció "posztgenomi", bővített jelentése: a kontextuális v. celluláris funkció (hol helyezkedik el az adott fehérje a sejt kölcsönhatásainak hálózatában)

Módszerek a funkcionális genomikában

Klasszikus bioinformatikai (homológián alapuló) módszerek: homológia detektálása szekvencia alapján (BLAST, stb.) vagy gombolyfelismeréssel/felfűzéssel. Az ismert funkciójú homológ segítségével azonosítjuk a funkciót.
Szerkezeti genomikai módszer: a kísérleti vagy jósolt szerkezet alapján azonosítjuk a funkciót (ld. később)
Nem (vagy csak kismértékben) homológián alapuló módszerek (új bioinformatikai módszerek):
- Tisztán számítógépes:
  - Filogenetikai profilok módszere
  - Rosetta-kő módszer
  - Szomszédos gének módszere
- Kísérleti alapú, de számítógépesen kiértékelt:
  - Korrelált génexpressziók módszere (ld. később)

Tisztán számítógépes módszerek

Filogenetikai profilok módszere

Filogenetikai profil: annak leírása, hogy egy adott gén mely organizmusokban található meg és melyekben nem (teljes genomok ismerete szükséges)
Az azonos, v. nagyon hasonló (vagy éppen teljesen v. majdnem komplementer) filogenetikai profillal rendelkező gének között funkcionális kapcsolat valószínűsíthető, hiszen ez azt jelenti, hogy a szóban forgó gének mindenhol együtt fordulnak elő.

Példa:

Az Org1 organizmusban találtunk 7 gént:

Gén1, Gén2, Gén3, Gén4, Gén5, Gén6, Gén7
(fehérjét kódoló gének)

Van még 3 organizmusunk: Org2, Org3, Org4, melyeknek a teljes genomja ismert.

A teljes genomokat megvizsgálva megállapítjuk, hogy az egyes organizmusok a következő géneket tartalmazzák:

    Org2: Gén1, Gén2, Gén4, Gén5, Gén7
    Org3: Gén2, Gén3, Gén5, Gén6, Gén7
    Org4: Gén1, Gén3, Gén5, Gén6

Az adatok alapján elkészítjük a 7 gén filogenetikai profilját:


 Gén   Org2  Org3  Org4
 ~~~~  ~~~~  ~~~~  ~~~~
 Gén1    1     0     1
 Gén2    1     1     0
 Gén3    0     1     1
 Gén4    1     0     0
 Gén5    1     1     1
 Gén6    0     1     1
 Gén7    1     1     0

(0, ill. 1 jelöli az adott gén hiányát, ill. jelenlétét az adott organizmusban.)

A táblázat alapján megállapíthatjuk, hogy:

     Gén2 és Gén7 filogenetikai profilja azonos
     Gén3 és Gén6 filogenetikai profilja azonos

Következtetés:

Gén2 és Gén7 között funkcionális kapcsolat valószínűsíthető
Gén3 és Gén6 között funkcionális kapcsolat valószínűsíthető

Minél több organizmus teljes genomja áll rendelkezésre a filogenetikai profilok elkészítéséhez, annál megbízhatóbb az eredmény.

Bonyodalmak: bizonyos evolúciós jelenségek megzavarják az elemzést:

Génfunkciók redundanciája (ugyanarra a funkcióra sokszor több gén van)
A gén felváltása egy másik génnel, ami nem ortológja az eredeti gén ortológjainak
Horizontális géntranszfer (mikroorganizmusok közötti DNS-transzfer)
Gének elvesztése egyes organizmusokban

Rosetta-kő módszer (doménfúziók módszere)

Sok esetben valamely organizmus két különálló fehérjéje fúziós fehérjeként (egyetlen polipeptidlánccá összeolvadva) található meg valamely más organizmusban.
Ha két fehérje megtalálható fúziós fehérjeként is, akkor közöttük funkcionális kapcsolat valószínűsíthető. (Számos példát ismerünk rá, hogy rokon funkciót betöltő fehérjék bizonyos organizmusokban fuzionálnak, mert közelségük előnyös a funkció szempontjából.)

Mi a Rosetta-kő?

rosetta.jpg (11k) Az ókori Egyiptomból, Rosetta városából származó kőlap, melyen ugyanaz a szöveg 3 különböző nyelven és írással (hieroglif, démotikus és görög) található meg. Ez tette lehetővé a hieroglifák megfejtését a görög változat alapján. A fúziós fehérjék egyfajta Rosetta-kövek: a bennük lévő, ismert funkciójú domén alapján a másik, ismeretlen funkciójú domén funkciójára lehet következtetni.

Bonyodalmak:

Vannak "promiszkuita" domének, amelyek nagyon sok más fehérjével fuzionálnak

Szomszédos gének módszere

Ha két gén az organizmusok nagy részében egymás mellett található a kromoszómán, akkor valószínűsíthetően funkcionális kapcsolat van közöttük
Prokariótáknál gyakoriak az operonok (több, rokon funkciójú gén egymás után található, egy közös promoter alatt)
Eukariótáknál az operonok ritkábbak, de a génszomszédság mégis jellemző

Bonyodalmak:

A szomszédság nem mindig jelent funkcionális kapcsolatot

Szerkezeti genomika

A szerkezeti genomika céljai

Meghatározni a genomban kódolt összes fehérje térszerkezetét
Térszerkezeti információ felhasználásával segíteni a funkciók azonosítását (ebben az értelemben a funkcionális genomika része)

A térszerkezetek meghatározása

Klasszikus megközelítés: előbb azonosítjuk egy kiválasztott fehérje funkcióját, majd röntgenkrisztallográfiával vagy NMR-rel meghatározzuk a térszerkezetét
Szerkezeti genomikai megközelítés: előbb meghatározzuk a térszerkezetet (lehetőleg az összes fehérjéét), aztán vizsgáljuk a funkciót (épp a térszerkezet segítségével is)

A fehérjeszerkezetek sokfélesége

Hány különböző fold ("gomboly") van? Többféle becslés volt, 1000 és 100 000 között. Tegyük kb. 10 000-re.
PDB-ben kb. 12 000 szerkezet van, de erősen redundáns, kb. 1000 gombolyt képviselnek. Az újonnan meghatározott szerkezetek többsége is már ismert gombolyhoz tartozik.
Teljes genomokban lévő gének által kódolt fehérjéknek csak kb. 15--25%-a mutat homológiát már ismert térszerkezetű fehérjével.

Kísérleti szerkezeti genomika

Szerkezeti genomika célja: a genomokból kiválasztani azokat a célfehérjéket, amelyeknek a térszerkezetét kísérletileg meghatározva az összes többi fehérje homológiamodellezési távolságon belül lesz (kb. 20% szekvenciaazonosság), így minden fehérje szerkezete homológiamodellezéssel megjósolható lesz.
Membránfehérjék, nehezen kristályosítható fehérjék problémát jelentenek.
Próbaprojektek elindultak, ld. pl. http://proteome.bnl.gov/ (főleg élesztő).

Elméleti megközelítések

Az ismert szerkezetű homológgal rendelkező szekvenciákra homológiamodell építhető.
Pl. az élesztő kb. 6000 génjéből kb. 1000 mutat homológiát ismert szerkezettel, ezek homológiamodellezését elvégezték (MODELLER-rel).
Hasonló projekt volt a SWISSPROT-ban lévő szekvenciákra: 3DCrunch

A szerkezeti genomika mint a funkcionális genomika egyik módszere

A szerkezet sokféleképpen segíthet a funkció azonosításában.
A röntgenkrisztallográfia és a homológiamodellezés nagy felbontású, jó minőségű szerkezeteket ad, a felfűzési módszerek és az ab initio módszerek alacsony felbontású, gyengébb minőségű szerkezetet

Hogyan azonosítható a funkció a szerkezet alapján?

A fold (gomboly) alapján: Ha az adott funkció és gomboly között egyértelmű kapcsolat áll fenn. Ez gyakran nem így van: ugyanazt a funkciót többféle gomboly is megvalósíthatja, és ugyanaz a gomboly többféle funkciót is megvalósíthat (pl. az alfa-béta hordó 16 különböző enzimben fordul elő).
Az aktív, ill. funkciós hely geometriája alapján:
- Részletes funkcióshely-könyvtárak, pl. PROCAT. Pl. a szerin proteázok konszenzus szerinti aktív helye (Ser-His-Asp katalitikus triád):
  
  Ezek azonosításához azonban nagy felbontású szerkezetre van szükség, gyenge minőségű szerkezetben nem azonosíthatóak.
- Fuzzy Functional Forms (FFF): Olyan szerkezetimotívum-könyvtár, mely kevésbé egzaktul írja le a funkciós helyet. Alkalmazható gyengébb felbontású szerkezeteknél is! (GeneFormatics cég erre jött létre)
Fejlesztés alatt lévő, kiforratlan módszerek!