An

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Análise de Estruturas de Proteínas

• (Parte 2)
• Jeane Melo

2
Roteiro

• Introdução
• Predição de Estrutura Secundária (Parte 1)
• Apresentação do problema
• Exemplos de abordagens
• Preditor NNPSS
• Comparação e Detecção de Padrões Estruturais
  (Parte 2)
• Apresentação do problema
• Exemplos de abordagens
• Modelo desenvolvido

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Introdução

• Proteínas
• Metabolismo, suporte de filamentos, catálise
  bioquímica, regulação do volume celular e
  imunização

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Introdução
Seqüências X Estruturas
5
Introdução
6
Predição de Estrutura Secundária de Proteínas
7
Predição de Estrutura Secundária

• Patrick J. Fleming, Haipeng Gong and George D.
  Rose (2006) Secondary structure determines
  protein topology. Protein Science 151828-1834.

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O Preditor NNPSS
9
Extração de Características
10
Comparação e Detecção de Estruturas
11
Comparação e Detecção de Estruturas
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Motivos (motifs) estruturais

• Elemento estrutural tri-dimensional encontrado em
  diversas moléculas.
• Ex. Coiled Coil

GCN4 leucine zipper
gp41 hexamer initiates the entry of HIV into
its target cell.
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Domínios Estruturais

• Estruturas compactas
• Função
• Ação individual ou em conjunto
• Delimitação
• Bases de Dados
• 3Dee
• CATH
• Dali
• SCOP

Pyruvate kinase, a protein from three domains
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Classificação de Estruturas
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Alinhamento Estrutural

• Alinhamento de seqüências baseado em comparação
  estrutural
• Comparação de proteínas com baixa similaridade
  entre as seqüências.

Thioredoxin Humano X Drosophila melanogaster.
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Processo de Comparação

• Escolha das características
• Elementos geométricos
• Elementos topológicos
• Propriedades físico-químicas dos aminoácidos
• Representação
• Rotação e translação
• Pouca variação diante de pequenas diferenças

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Processo de Comparação

• Representação através de um conjunto de pontos
• Coordenadas dos centros dos átomos
• Restrição da região de comparação
• Cadeias laterais

• Escalier, V. (1997). Algorithmes pour la
  comparaison de structures moléculaires
  tridimensionnelles. PhD thesis, Université Paris
  VII.

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Processo de Comparação

• Representação através de EES
• Mais simples e compacta (15300)
• Mecanismos genéticos raramente produzem mutações
  topológicas

• Dror, O., Benyamini, H., Nussinov, R., and
  Wolfson, H. J. (2003). Multiple structural
  alignment by secondary structures Algorithm and
  applications. Protein Science, 122492-2507.

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Exemplos de Abordagens

• Arthur Lesk, 1995
• Distribuição dos elementos de estrutura
  secundária (SSEs) ao longo da cadeia
• Interações geométricas entre tais elementos
• Representação Matricial
• Classes de interação

?1 ?1 ?2 ?3
?1 PE KK
?1 PD
?2 PE HH
?3 HH PD HH

• Lesk, A. M. (1995). Systematic representation of
  protein folding patterns. Journal of Molecular
  Graphics, 13159-164.

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Exemplos de Abordagens

• Ferramenta TOPS
• Seqüência de SSEs (grafos)
• Relações entre pares de elementos
• Ignora tamanho e orientações precisas
• up e down
• Busca em bancos de dados definidos

• Michalopoulos, I., Torrance, G. M., Gilbert, D.
  R., and Westhead, D. R. (2004). TOPS an enhanced
  database of protein structural topology. Nucleic
  Acids Research, 32.

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Exemplos de Abordagens

• Ferramenta MASS
• Dois níveis
• Elementos de estrutura secundária (SSEs)
• Tipo, distância ? 1.5Å, diferença entre ângulos ?
  0.3 rad
• Coordenadas atômicas dos C?

• Dror, O., Benyamini, H., Nussinov, R., and
  Wolfson, H. J. (2003). Multiple structural
  alignment by secondary structures Algorithm and
  applications. Protein Science, 122492-2507.

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Exemplos de Abordagens

• Ferramenta MASS (cont.)

• Melhor alinhamento
• pivot

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Pontos Abordados

• Informações a serem consideradas no processo da
  comparação
• Comparação múltipla

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Representação Proposta

• Dados
• Obtenção de vetores através do VAST
• Acesso direto ao valor do ângulo ou dupla
  codificação
• Distâncias
• Tamanho dos vetores
• Flexibilidade
• Representação através de grafos

• Gibrat, J.-F., Madej, T., and Bryant, S. H.
  (1996). Surprising similarities in structure
  comparison. Current Opinion in Structural
  Biology.

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Busca por Motivos

• Isomorfismo de subgrafos

26
Busca por Motivos

• Algoritmo do Ullmann
• Estender um mapeamento M inicialmente vazio
• Enumerar todos os possíveis isomorfismos
• Seleção de possibilidades baseada no grau dos
  vértices
• Teste de adjacência

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Busca por Motivos

• Adaptação do algoritmo do Ullmann
• Representação adotada para o problema
• Restrições
• Grau dos vértices, tipo, tamanho
• Relações entre pares de elementos
• Ângulo, código, distâncias
• Grau dos vértices
• Testes preliminares
• Conjunto de 20 globinas
• Reconhece a ocorrência de motivos no conjunto
• Proteínas similares têm representações similares

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Busca por Subestrutura Comum

• Busca por subgrafo maximal
• Generalização de isomorfismo de grafos
• NP-completo
• Adaptação do algoritmo de McGregor
• Representação adotada
• Comparação múltipla

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Busca por Subestrutura Comum

• Algoritmo de McGregor
• Efetuar o produto dos grafos envolvidos
• Efetuar a busca por cliques no grafo resultante
• Cliques nos grafos resultantes corresponderão a
  subestruturas comuns

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Busca por Subestrutura Comum

• Produto de grafos

c
d
a
b
e
f
(A)
(B)
(AXB)
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Busca por Subestrutura Comum

• Generalização para N proteínas
• Representação adotada
• Vértices similares
• Tipo, tamanho
• Arestas
• Ângulos, distâncias

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Busca por Subestrutura Comum

• Testes
• Conjunto de 20 globinas
• Tipo (não muito seletivo)
• Tamanho
• 30
• Ângulos e distâncias
• Proteínas com dois domínios em comum
• Retorna elementos pertencentes a ambos os domínios

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Busca por Subestrutura Comum

• Proteínas muito semelhantes e com número de
  elementos de estrutura secundária bem acima da
  média
• Número de vértices considerados
• Cliques
• Grafos esparsos