Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 8. -
Вып. 4. - 2009. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-24-html/TITL-24.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-24-html/cont.htm
УДК 61:575
ЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ
ПОДХОД К АННОТИРОВАНИЮ АМИНОКИСЛОТНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ
Ó 2009 г. Ермаков Г. А., Прокопенко А. В.
Цель
данного исследования — создание визуального способа аннотирования аминокислотных
последовательностей. Для визуализации распределения электроноплотности числовое значение изоэлектрической
точки было представлено градацией серого цвета на пиктограмме. Теперь есть возможность
изучения наглядных карт аминокислот в виде пиктограмм, в которых буквенные коды
названий аминокислот заменены на цветовые коды.
Ключевые слова: биоинформатика, аминокислотные последовательности,
метод, аннотирование, изоэлектрическая точка.
Секвениpование и анализ геномов показали, насколько наши представления
о количестве и функциях генов и о физиологии даже таких хорошо изученных
(«модельных») организмов, как кишечная палочка, дрожжи и дрозофила, далеки от
полноты [1]. После завершения
проекта «Геном человека» возникла проблема осмысления полученного гигантского
объёма генетической информации [3]. На сегодняшний день секвенировано большое число геномов бактерий,
растений, животных. Но во многих случаев остались неаннотированные участки
геномов [5]. Белок-кодирующие последовательности (БКП) фланкируются
триплетами ATG и TGA. Практически в каждом исследованном геноме есть пока
нераспознанные БКП (hypothetical proteins) [2]. Для восполнения таких пробелов у авторов возникла
мысль рассмотреть аннотируемый геном с позиций лингвистики с наглядной
визуализацией.
Цель
исследования — создание способа визуализации аминокислотных последовательностей
в полипептидных цепях для облегчения последующего аннотирования.
Материалы и
методы
В основу предлагаемого метода положена визуализация
распределения электроноплотности в белках. Полипептидные цепи белка состоят из
аминокислот (АМК), а каждая аминокислота может характеризоваться так называемой
изоэлектрической точкой (ИТ). Как известно,
изоэлектрическая точка это точка нулевого заряда в контакте с раствором
электролита характеризующееся равным числом положительных и отрицательных
зарядов в адсорбционном слое, то есть такой pH, при котором заряд молекулы аминокислоты равен нулю.
Полипептидная цепь состоит из аминокислот (АМК), а каждая аминокислота может
характеризоваться изоэлектрической точкой (ИТ), то есть тем значением pH, при котором заряд молекулы аминокислоты равен нулю.
Безусловно, каждая аминокислота в полипептиде не может существовать
обособленно, но распределение электроноплотности в трёхмерных структурах
полипептидов и белков зависят именно от изоэлектрических характеристик каждой
АМК.
У большинства аминокислот ИТ колеблется в районе
значений, близких к pH=6. Хотя, например, аминокислоты
аргинин и лизин — положительно заряженные и в составе полипептида обладают
низкой электроноплотностью, их изоэлектрические точки находятся в щелочном
диапазоне (pH равны 10,76 и 9,74). А
аспарагин и глютамин — отрицательно заряженные, и в составе полипептида
обладают повышенной электроноплотностью, их изоэлектрические точки — в
кислотном диапазоне (pH равны 2,77 и
3,22 соответственно). Так как такие значения pH являются физиологической константой, в составе
полипептидов есть участки с высокой и низкой электроноплотностью, которые
отражают специфику полипептида (определяя третичную структуру белка) и его
функции (например, активный центр фермента).
Последовательность аминокислот принято записывать в
формате FASTA, обозначая двадцатью заглавными латинскими буквами.
Но при взгляде на такой большой набор букв не создаётся целостного впечатления,
обеспечивающего наглядность [4]. Поэтому было решено заменить буквенную кодировку
другими характеристиками. Обозначения аминокислот полипептида мы условно
располагаем на плоскости слева направо и сверху вниз (рис.1). В нами созданной
компьютерной программе каждому значению pH для изоэлектрической точки аминокислоты была
присвоена своя градация серого цвета из набора в 256 оттенков. Пометив каждую
аминокислоту своим цветом по значению pH для
изоэлектрической точки аминокислоты, удалось визуализировать аминокислоты для
каждой полипептидной цепи единым планом (рис.2, 3, 4).
Результаты и
обсуждение
Теперь многочисленную последовательность аминокислот
заданной полипептидной цепи можно оценить как единый целостный объект и осмыслить
его свойства по складывающемуся на плане узору. Уникальность получаемой
пиктограммы позволит осуществить визуальную идентификацию полипептидной цепи.
Большинство методов используемых для аннотирования полипептидов основаны на
выявлении гомологии последовательностей. Сравнивая между собой полученные
пиктограммы уже известной полипептидной цепи с пиктограммой ещё нераспознанной
белок-кодирующей последовательности, можно делать некоторые предположения о
свойствах и функциях.
Выводы
Таким образом, для облегчения понимания, узнавания и
ориентирования в свойствах и особенностях, разработан метод визуальной оценки
аминокислотной последовательности полипептидной цепи, путём создания наглядных
карт аминокислот в виде пиктограмм, в которых буквенные коды названий
аминокислот заменены на цветовые коды, соответствующие значениям pH для изоэлектрических точек аминокислот. Привлечение
впоследствии машинного распознавания образов позволит более объективно
идентифицировать известные и характеризовать пока неизученные
последовательности.
В перспективе, на основе скомпонованных узнаваемых
пиктограмм возможно создание некоего пиктографического комплекта для быстрой
визуальной оценки не только аминокислотной последовательности, полипептидных
цепей, но и набора белков.
|
Рис.1. Аминокислоты гипотетического полипептида в
формате FASTA, расположенные слева направо и сверху вниз. |
Рис.2. План
последовательности аминокислот полипептида heat shock protein IbpA [Yersinia pestis Pestoides F], визуализированных
оттенками серого цвета по изоэлектрическим точкам. |
|
Рис. 3. План
последовательности аминокислот полипептида heat shock chaperone IbpB [Yersinia pestis Pestoides F], визуализированных оттенками
серого цвета по изоэлектрическим точкам. |
Рис. 4. План последовательности аминокислот полипептида
DNA-3-methyladenine glycosylase [Yersinia pestis Pestoides F], визуализированных
оттенками серого цвета по изоэлектрическим точкам. |
THE LINGUISTIC APPROACH TO ANNOTATION OF AMINO ACID SEQUENCES
Yermakov
G. A., Prokopenko A.
V.
The aim of this study was to create new approach to annotation of amino acid
sequences. The gradation gray scale was presented for visualization of the distribution
electron density numeric importance isoelectrical points on pictograph. Now,
there is possibility of the study of the demonstrative cards of amino acid in
the manner of pictographs, in which alpha codes of the names of amino acid are
replaced on color codes.
Key words: bioinformatics, amino acid sequences, approach,
annotation, isoelectrical points.
Литература
1.
Гельфанд М.
C. Апология биоинфоpматики // Биофизика.
– 2005. – Т.50. – Вып.4. – С.752–766.
2.
Зеленин А. В. Геном
растений // Вестник РАН. – 2003. – Т.73. – № 9. – С.797-806.
3.
Киселев Л. Л. Геном
человека и биология XXI века // Вестник РАН. – 2000. – Т.20. – № 5.
4.
Коротков Е. В.,
Короткова М.А., Френкель Ф.Е., Кудряшов Н.А. Информационная
концепция поиска периодичности в символьных последовательностях. // Мол.биол. –
2003. – Т.37. – № 3. – C.436-451.
Ермаков Георгий
Александрович к.м.н., ассистент кафедры микробиологии, вирусологии и
иммунологии АГМА. email:amursma@mail.ru
Прокопенко Алексей
Владимирович к.м.н., с.н.с. ЦНИЛ АГМА email:amursma@mail.ru
Кафедра микробиологии, вирусологии и
иммунологии
Центарльная научно-исследовательская лаборатория
Амурская государственная
медицинская академия
Amur State Medical Academy,
Blagoveschensk.
Поступила в редакцию 7.12.2009.