1 Основные исторические вехи в развитии биоинформатики
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
2) Метод минимальной эволюции (Minimum evolution) или метод присоединения соседей (neigh-bour-joining). М работает сл. обр: изначально предпол-ся полностью неразрешенное дерево (структура типа звезда – каждый таксон связан с общей центральной точкой). Выбир-ся одна из последоват-тей и сравн-ся поочередно со всеми остальными и опред-ся наиближайшая к ней последов-ть. После этого данные послед-ти объед-ся, на строящемся дереве появляется новый узел, и пересчит-ся расстояния от него до остальных послед-тей. Объединенные послед-ти далее не участвуют в построении дерева, и процесс повторятся для других послед-тей до момента исчерпания всех данных. При этом строится неукорененное дерево. Преимущества: высокая скорость и, след-но, возможность обработки больших объемов данных, возм-ть построения дерева при различной скорости мутаций, возможность коррекции для множественных замещений, простота алгоритма. Недостатки: строится только одно из возможных деревьев (опред-ся первой выбранной последов-стью), имеется сильная зависимость от используемой модели эволюции и искл-ся возм-сть применения принципа «молекулярных часов», т.е. нельзя рассчитать примерное время дивергенции между срав- ниваемыми послед-ми. Доказано, что для несмещенных данных получаемое дерево соответствует его истинной топологии! Т.е. результаты высокодостоверны. Главное – проверить исходные данные на статистическую достоверность. В настоящее время исп-ся много программ, реализующих метод присоединения соседей (RapidNJ и NINJA). Пример дерева 1-го метода: верх обрезан, дорисуете, там без разницы  Пример дерева 2-го метода:  36. Реконструкция филогении: метод максимальной парсимонии. Метод реконструкция филогении – методы восстановления эволюционных взаимоотношений между объектами, построения древа филогении, на основе данным молекульно-генетич-го анализа. Существует три группы таких методов :1) на расстоянии. 2)на принципе минимальной эволюции (максимальной парсимонии. 3)на принципе максимального правдоподобия. Метод максим.парсимонии. Для каждой возможной топологии из набора анализируемых последовательностей в качестве узла древа выбирается такая последовательность, которая требует минимальных изменений для перехода к непосредственным потомкам. Далее для каждой топологии подсчитывается суммарное число изменений и выбирается древо, соответствующее минимальному их числу. Пытается оперировать максимально возможным числом потенциальных синапоморфий. На этом пути сразу возникает другая сложность: противоречия между предполагаемыми синапоморфиями, которые на практике существуют почти всегда, свидетельствуя о наличии гомоплазий (эволюционные проблемы, связанные с использованием этого термина),т.е. независимо приобретенных одинаковых состояний признаков. Метод максимальной парсимонии решает это противоречие, исходя из предположения о том, что эволюция «экономна», и поэтому при выборе филогенетической гипотезы при прочих равных условиях предпочтительнее та, в которой число параллелизмов минимально. Этот критерий имеет теоретическое обоснование: если эволюционные события редки, то гипотеза, в которой их число минимизировано,может быть хорошим приближением к. Однако вобщем виде критерий парсимонии несостоятелен, и было теоретически показано, что при некоторых условиях его использование приводит к ошибочным реконструкциям. Так, к искажению результатов филогенетической реконструкции с использованием метода максимальной парсимонии приводит эффект притяжения длинных ветвей который особенно остро дает о себе знать при работе с молекулярными признаками. Если в пределах какой-либо филогении две или большее число ветвей эволюционировали быстрее, то в силу случайных причин они имеют шанс накопить больше гомоплазий. Поскольку одна из презумпций кладистического анализа – рассмотрение одинаковых состояний признаков в качестве синапоморфий, а не гомоплазий, (то формальный анализ приведет к тому, что такие линии могут появиться на реконструкции как сестринские, даже если фактическая филогения была другой. 37. Реконструкция филогении: метод максимального правдоподобия. Филогения– описание топологии истор-х взаимосвязей между орг-ми, основ-х на предпол-мой гомологии по набору признаков и/или на модели эволюционных процессов. Основой для реконструкции филогении явл-ся гены, как экзоны, так и интроны.По кол-ву несинонимичных замен кодонов можно судить о селективности или неселективности изме-ий на уровне нуклеотидов. Для изуч-ия эволюц-х связей между отдаленными таксонами берут консервативные, медленно измен-ся сиквенсы, а для близкородст-ных - быстро измен-еся сиквенсы. Почти неизменные гены не подходят для оценки эвол-го расстояния. Сильно разошедшиеся гены также не подходят, т.к. трудно поддаются выравниванию. В филогенетич-м исследовании выявл-ся родство и генеалогия видов, популяций, индивидов или генов.Группы, для к-х реконструируем филогению, назыв-ся рабочими, или операционными таксономическими единицами. Метод МП. Для каждой возможной топологии длина ветвей выб-ся так, чтобы максимиз-ть вероя-сть данного древа на основе исходных данных. Затем среди всех возможных выбир-ся наиболее вероятное древо. Суть метода. Если разраб-на модель эволюции признака и известно распре-ние состояний признаков у изучаемых орг-в, то можно рассчитать вероятности различных эволюц-х траекторий, кот-е могли привести к соврем-м формам, а затем выбрать наиболее вероя-ю из них. Преимущество ММП: возмо-сть исп-ния для реконструкции филогений любых гомолог-х признаков: не только синапоморфий (сходство нескольких сравниваемых групп по производному состоянию признака), но и простых апоморфий (новая эволю-ная черта, уник-ая для разновидности и ее потомства.) и плезиоморфий (предшествующая разновидность признака). Так, важная составляющая этого метода при работе с молек-ми признаками – это учет константных сайтов, кот-е предста-т собой не что иное, как плезиоморфии. ММП дает колич-ю инфо об анагенетической составл-й эволюции в виде дистанций между узлами ветвлений. В кач-ве недостатка метода МП можно рассматривать зависимость получаемых реконструкций от выбора модели эволюции признака. С пом-ю методов МП можно оценивать и другие параметры: -Можно усложнять модель, добавляя новые параметры -Метод имеет статистическое обоснование ;- требует большого количества вычислений 38. Реконструкция филогении: байесов подход. Байесова статистика, позв-т комбинир-ть инф-ю, извлек-ю из предварит-х гипотез, с инф-й, получаемую из опытов (наблюд-й), для расчета так назыв-х постериорных вероятн-й, т.е. априорных вероятн-й, скорректир-х с учетом проведенных эмпирических испыт-й. Затем эти постериорные вероятности можно и нужно исп-ть для оценки значимости тестируемых гипотез, т.о, Байесова статистика позв-т находить вероятности в условиях недостатка инф-и. Метод Байеса можно применять, когда конкретные предварит-е гипотезы отсутствуют. В этих случаях возможно исп-е неспециф-х априорных вероятн-й, кот-е предполагают, что разные сост-я изуч-х параметров одинаково возможны. Однако этот метод становится гораздо более эффект-м, если исп-е априорные гипотезы специфичны и позволяют отсечь те знач-я, кот-е невозможны или маловероятны. Байесов подход в филогенетике заним-ся поиском деревьев с наибольшим уровнем правдоподобия (и в этом отнош-и похож на метод максимального правдоподобия), однако для расчета вероятн-й использует Байесову статистику, что дает ряд преимущ-в: 1) исп-е предварит-х гипотез в филогенетике фактически означает прим-е системы запретов и ограничений на опред-е топологии дерева и/или опред-е переходы признаков из одного состояния в другое. 2) в методе Байеса напрямую проверяется, в какой степени получаемая филогенет-я гипотеза соотв-т эмпирическим данным, т.е. распред-ю призн-в. В кач-ве меры соотв-я выступает постериорная вероятность параметров получ-х деревьев. 3) в рез-те анализа появляется не одно дерево, как в методе максим-го правдоподобия, а набор наиболее правдоподобных деревьев, сравн-е кот-х позв-т количеств-но оценивать уровень неопредел-ти получ-х топологий и длин ветвей. В целом метод Байеса следует признать одним из наиболее эффект-х подходов к решению филогенет-х задач. 39) Транскриптом и транскриптомика. Типы РНК. Применение ДНК-чипов при профилировании экспрессии. Транскриптом - это набор экспрессир-ся РНК у данного организма или опред-го набора клеток при конкретных условиях. Транскриптомика - это набор инструментов и подходов для глобального анализа экспрессии генов. Цель транскриптомики – опред-е, описание механизмов регуляции экспрессии генов. Задачи: выявление всех транскрипц-х единиц, включая мРНК, некодир-еРНК и малые РНК; анализ транскрипц-й структуры генов; анализ сплайсинга и др посттранскрипц-х модификаций. Технологии транскриптомики дел-ся на 2 ветви: 1)анализ на основе микрочипов, созданных на основе уже известных послед-й; 2)сиквенсный подход. Транскриптомика - это также инструмент прикладных исследований(в обл биомедицины данные о закономерностях экспрессии генов использ-ся для выявления наруш-й течения клеточ-х процессов при патологиях).*Чипы, содержащие тыс образцов НК, связанных с твердым субстратом(предметными стеклами для микроскопии или тонкослойными силиконовыми носителями). В послед-е годы появился новый формат чипов(жидкостный) однако тв-й субстрат в них присутствует - в виде микрошариков. Чипы НК в размере от 3000 до 32000 генов м.б. расположены на предметном стекле для микроскопии на площади, легко закрываемой покровным стеклом. Сущ-т чипы с олигонуклеот-ми зондами, комплементар-ми сайтам сшивки экзонов, позволяющие анализир-ть сплайс-варианты РНК. Экзоновые чипы - это модиф-я обычных чипов для экспресси-го анализа, отлич-ся расположением и колич-вом зондов на экзоны. Высокоплотные геномные чипы позволяют картир-ть транскрибируемые локусы с выс-м разрешением(от сотен пар нуклеотидов и до нескольких пар нуклеотидов). Среди гибридизац-х подходов транскриптомики выд-т 2 типа: одноцветный и 2-цветный микрочиповые эксперименты. Принцип двухц-го заключ-ся в конкурентной гибридиз-и 2-х образцов, помеч-х разными флуорохромами. После гибридиз-и чип сканир-ся с помощью лазера с излуч-м длины волны. Флуоресценция по обоим каналам отраж-т относ-е колич-во РНК данного вида в обоих образцах. В случае одноцветного - РНК-образец метится флуоресцентной краской и гибридиз-ся на 1 чип с млн копий коротких зондов. После сканир-я образца лазером получ-ся данные об абсолютном уровне экспрессии.*Стадии анализа экспрессии на микрочипах: Дизайн и печать или покупка чипов, Подготовка РНК к мечению, Обратная транскрип-я, Транскрипция in vitro или ПЦР (с мечением), Гибридиз-я на чипе, Отмывка, Сканир-е. 40. Терминология, связанная с ДНК-чипами. Биоинформационные аспекты профилирования экспрессии. ДНК-чипы - это наборы из большого числа олигонуклеотидов на миниатюрных твердых подложках, предназначенные для анализа последовательности ДНК. Метод основан на том, что с помощью фотолитографии на небольшой поверхности размещают огромное число олигонуклеотидов. Каждая точка содержит несколько пикомолей ДНК с определённой нуклеотидной последовательностью. Олигонуклеотиды ДНК-микрочипа могут быть короткими участками генов или других функциональных элементов ДНК и используются для гибридизации с кДНК или мРНК (кРНК). Гибридизация зонда и мишени регистрируется и количественно характеризуется при помощи флюоресценции или хемилюминесценции, что позволяет определять относительное количество нуклеиновой кислоты с заданной последовательностью в образце. В обычном ДНК-микрочипе зонды ковалентно прикрепляются к твёрдой поверхности — стеклянному или кремниевому чипу. Другие платформы, например, выпускаемые Illumina, используют микроскопические шарики вместо больших твёрдых поверхностей. ДНК-микрочипы используют для анализа изменения экспрессии генов, выявления однонуклеотидных полиморфизмов, генотипирования или повторного секвенирования мутантных геномов. Микрочипы отличаются по конструкции, особенностям работы, точности, эффективности и стоимости. Для специальных задач транскриптомики сущ.такие чипы, например, чипы с олигонуклеотидыми зондами, комплементарными сайтам сшивки экзонов, позволяющие анализировать сплайс-варианты РНК. Экзоновые чипы - это модификация обычных чипов для экспрессионного анализа, отличающиеся расположением и колич-вом зондов на экзоны. Можно анализировать сплайсинг и общую экспрессию генов. Высокоплотные геномные чипы позволяют картировать транскрибируемые локусы с высоким разрешением - от сотен пар нуклеотидов и до всего нескольких пар нуклеотидов. Среди гибридизационных подходов транскриптомики наиболее распространены 2 типа: одноцветный и двуцветный микрочиповые эксперименты. Основные экспериментальные стадии анализа экспрессии на микрочипах: • Дизайн и печать или покупка чипов • Подготовка РНК к мечению • Обратная транскрипция (с мечением) • Транскрипция in vitro или ПЦР (с мечением) (опционально) • Гибридизация на чипе • Отмывка • Сканирование 41. Группы белков по их функциям.Основные элементы полипептидной цепи и белковых структур.Иеархия белковых структур. Белки–крупные мол-лы.Малая часть их стр-ры несет какую-либо ф-цию.Белковые мол-лы представл-т собой длинные полимеры, состоящ. из нескол-х тысяч атомов, образующ. равномерно повторяющ-ся группы,образующ. остов мол-лы, к кот. присоединены специфич.ответвления - боковые группы. А/к последоват-ть белка кодирует последоват-ть боковых групп. Полипептид. цепь опред-т повороты в простр-ве, направление цепи, определяющ. модель изгиба.Знание пространств-х особенностей укладки аминокисл-й цепи позволило опред-ть специфич. ф-ции индивид-х белков.Гр.белков по их ф-циям:-структур-е белки;-белки,катализирующ. хим.р-ции(ферменты);-транспортн. и информац-е белки( гемоглобин);-регулятор. белки, включая гормоны и рецептор-е белки;-белки, контролирующ. генетич. транскрипцию;-белки, участвующ. в узнавании, включая клеточ. адгезию.Иерархия белк-х стр-р:первичн. стр-ра – последоват-ть располож-я аминокисл-х остатков в полипепт-й цепи.Вторичн. стр-ра белка- упорядочен. строение полипепт-х цепей, обусловлен. внутрибелковыми водород. связями между группами С=О и N–H разных аминокис-т. Наиб. устойчивыми вторич. стр-ми , явл-ся α-спирали и β-стр-ры.Выдел-т надвторичные (супервторич.) стр-ры– термодинамически или кинетически стабильные комплексы α-спиралей и β-структур.Третичн. стр-рой наз-т пространствен. организ-ю всех α-спиралей и β-стр-р белка, распредел. в простр-ве всех атомов белк. мол-лы. Четвертичной стр-рой белка наз-ся агрегация двух или большего числа полипептид-х цепей, имеющ. третич. стр-ру, в олигомерную функцион-но значим. композицию.Выдел-т дополнит. уровни. Супервторичные стр-ры. В белках нередко повтор-ся взаимодей-я между β-структ-ми и α-спиралями; супервторич. стр-ры включ-т шпильки α-спиралей, β-шпильки, β-α-β-мотивы. Домены. Многие белки включ-т несколько компактных единиц в одной цепи, кот. могут сущ-ть независимо стабильно.В иерархии стр-р домены располаг-ся между супервторич. струк-ми и третич. струк-ми. Модульн. белки.Они явл-ся многодоменными белками, кот.часто содер-т много копий близкородств-х доменов. Они появл-ся в различ-х структ-х контекстах, так что различ. модульн. белки - мозаика таких доменов. 42. Классификация белковых структур. Классы структур.На данный момент в PDB записано более 86 000 структур белков . Бόльшая часть этой инфор-и была получена с помощью методов рентгеновской кристаллографии и ядерного магнитного резонанса (ЯМР, NMR). Знание простран-ых особенностей укладки аминокис-ой цепи позволило определить специф-е фун-и индиви-х белков, например, объяснить хими-ю каталит-ую активность ферментов. Наиболее общая классиф-я семейств белко-х стру-р основана на вторичной и третичной структуре белка. В этих достаточно широких категориях белки имеют большое разноо-ие способов укладки (таблица ). Среди белков со сходной укладкой представлены семе-ва, имеющие достаточно большое колич-во деталей структур, после-тей и функций, обусловленное эволюцио-ми взаимо-отношениями. Однако и неродственные белки зачастую имеют похожие способы укладки. Классиф-ия белковых структур занимает одно из центральных мест в биоинформатике, по крайней мере, как мост между послед-ностью и функцией.
43. Способы графического представления белковых структур. Структурное выранивание. Описание белковых структур через 3D-профиль. Для иссл-я гомологичности белков с известными аминокисл. послед-ми исп-ся структурное выравнивание. Его смысл состоит в нахожд-ии наиб консервативных (постоянных по сос-ву и структуре) остатков в этих послед-тях, кот обычно являются ключевыми для выполнения функций белка (исследование доменной структуры белка). Используя известные базы данных можно осущ-ть поиск гомолога данного белка в разл-х орг-х, построить филогенетическое дерево разл-х белковых послед-тей, предсказать его структуру и т.д. Одной из программ, с помощью которой можно предсказать третичную стр-ру изуч-ого белка, принимая за основу уже известную третичную стр-ру ближайшего гомолога является Geno3D. Сущ-т сервер для сравнительного моделирования трехмерных структур белков SWISS-MODEL, на котором можно предсказать 3D структуру по гомологии. PSIPRED позв-т предсказывать простр-ную стр-ру белка по аминокислотной послед-ти. LINUS, APSSP, PHD, NNPREDICT – программы предсказания вторичной структуры белка. Сервер StructurePredictionMetaServer предоставляет доступ к различным методам распознавания укладок белков и предсказания локальных структур. Сущ-т также множество БД структур белков и поиска гомологии (SCOP, CATH, InterPro, CDD, Dali, SMART, ProDom, VAST) |