Warum ist dieses Wissen wichtig? |
Wir wissen bereits,
dass bei ähnlichen Sequenzen auf ähnliche Struktur zweier
Proteine geschlossen werden kann. Auf diesem Paradigma beruht ein
ganzes Teilgebiet der Bioinformatik: Compararative modelling
oder homology
modelling macht sich zunutze, dass die Struktur
stärker konserviert ist als die Sequenz. Ist von einem Protein die
Struktur gekannt und ist dessen Sequenz hinreichend ähnlich zu der
des Proteins, dessen Struktur vorhergesagt werden soll, so kann dieses
Strukturgerüst als Vorlage dienen. Im Folgenden wollen wir einige
der state-of-the-art Programme nutzen, um auf die
geschilderte Art eine Proteinstruktur zu modellieren.
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Bezug |
Diese Übungen ergänzen das Kapitel 20 "Vorhersage der
Protein-3D-Struktur, Proteindesign und Moleküldynamik". Eine Alternative zu diesen "klassischen" Verfahren ist das auf deep-learning-Netzen beruhende AlphaFold. Für diesen Ansatz ist bisher kein Server verfügbar, allerdings gibt es eine Datenbank mit bereits berechneten Modellen. |
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Lernziel |
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Es wird vorausgesetzt, dass Sie die Übungen zur Visualisierung von Protein-3D-Strukturen bereits bearbeitet haben. Mit diesen Übungen lernen Sie einige der öffentlich zugänglichen Server kennen. |
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Übung | Env_1 | |
Es ist wichtig, zu verstehen, dass die lokale Umgebung
(das Environment) der Residuenpositionen häufig nur bestimmte
Aminosäuren zulässt. Diese Einschränkungen werden in Ansätzen wie
Modeller oder Verify-3D genutzt, um das Design zu steuern
bzw. um die Qualität von Modellen zu bewerten. Mit der folgenden Übung
können Sie diese Idee nochmals rekapitulieren. Ein Kriterium für die Vergabe von Scores im Environment ist das Vorkommen der Aminosäuren in den Sekundärstrukturelementen. Ein sehr frühes Verfahren zur Vorhersage der 2D-Struktur war das von Chou und Fasman eingeführte. |
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Studieren Sie insbesondere die Scores von Phe, Glu und Lys in beiden Matrizen. Weshalb wurden diese Aminosäuren ausgewählt? Hängen die Scores eher von der 2D-Struktur oder dem Environment ab? Worauf führen Sie die Scores für die
genannten Aminosäuren in den Environment-Klassen
zurück? |
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Übung | HomMod_1, Homologiemodelle berechnen | |
Hier folgt eine Sequenz,
für die im Rahmen eines Genomprojektes der Faltungstyp TIM-Barrel-Fold
vorhergesagt wurde. Zu dieser Sequenz haben wir bereits in Übung
2D_PROT_1 die Sekundärstruktur vorhersagen lassen.
Nun wollen wir per Homologiemodellierung eine 3D-Struktur generieren. |
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Alternative Ansätze |
Ziehen Sie für die Berechnung die folgenden Server in Betracht: |
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Die Ergebnisse werden häufig per Mail zugeschickt. Je nach Auslastung der Server müssen Sie möglicherweise länger auf die Vorhersagen warten. Hier finden Sie eine Vorhersage von Phyre. | ||
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Hinweise |
Speichers Sie die Datensätze lokal ab. Betrachten Sie die vorhergesagten Strukturen. Beantworten Sie bitte die folgenden Fragen: Können Sie ein (βα)8-Fass erkennen? Sind die Modelle alle vollständig? Superpositionieren Sie einige Modelle, um Unterschiede der Ansätze herauszuarbeiten. Häufig liefern die Server neben der Struktur weitere Ausgaben. Interpretieren Sie diese. |
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Übung | HomMod_2 | |
Ein kritischer Schritt beim Berechnen von Homologie-Modellen
ist das Anlegen der Alignments. Hier gilt das Programm HHsearch als im
Moment führend. HHpred ist eine Kombination aus
HHsearch and Modeller, einem der
anerkannt guten Homologiemodellier-Programme. |
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Einen Server, der HHpred anbietet, finden Sie am MPI in Tübingen. | ||
Voraussetzung | Wenn Sie ein Homologiemodell berechnen wollen, müssen Sie sich eine Modeller-Lizenz besorgen. | |
Ohne Lizenz können Sie zumindest ein Alignment berechnen und dieses mit denjenigen aus der Übung HomMod_1 vergleichen. Sie können auch mit dem Modell weiterarbeiten, das mit Modeller berechnet wurde und unten angegeben ist. | ||
Überlegen Sie sich, welche Parameter Sie
jeweils wählen und protokollieren Sie diese. |
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Übertragen Sie zunächst per
copy&paste die oben angegebene Sequenz in das Eingabefenster von
HHpred. Wählen Sie eine Datenbank aus, die aus der PDB abgeleitet wurde. Starten Sie die Suche durch Klicken auf Submit. Nun wird der Auftrag in eine Warteschlange gestellt. Nach Berechnung wird die Ausgabe präsentiert. Sehen Sie sich im unteren Teil der Ausgabe das Alignment zwischen der Query (Q) und den Templaten (T) an. |
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Templat auswählen | Wählen Sie ein Templat aus. Achten Sie auf die Abdeckung
und die Lage von Indels. Wie ähnlich sind sich die beiden Sequenzen? Müssen in eine der beiden Sequenzen größere Lücken eingeführt werden? |
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Das initiale Alignment ist ein kritischer Schritt bei der Homologiemodellierung, er legt für alle Residuen deren lokale Umgebung (Environment) fest. Haben alle Programme dasselbe Templat gewählt und stimmen die Alignments überein? | ||
Falls Sie auf eine Modeller-Lizenz zurückgreifen können, kann ein Homologiemodell berechnet werden. | ||
Eingabe für Modeller erzeugen | Klicken Sie auf /Results/Model using selection, um die Eingabe für Modeller zu erzeugen. | |
Auf der Seite, die mit HHpred - Template Selection überschrieben ist, können Sie die
Eingabe für Modeller
studieren. Betrachten Sie die einzelnen Zeilen: Können Sie diese interpretieren? Wo kommen im Alignment Indels vor? |
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Modellierung starten | Klicken Sie nun auf die Taste Forward to Modeller. Geben Sie den Licence-Key für Modeller ein. Klicken Sie nun auf Submit Job um die Modellierung zu starten. |
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Modell abspeichern | Mittels 3D-Structure/Download PDB file können Sie den Datensatz lokal abspeichern; hier finden Sie eine Vorhersage, die wie beschrieben errechnet wurde. | |
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Ergeben sich große Unterschiede in den Strukturen? Wo liegen diese Bereiche? | ||
Vergleich der Modelle | Superpositionieren Sie die Struktur mit der, die von Phyre vorhergesagt wurde. Wie groß ist die Abweichung? Achten Sie auf den RMSD-Wert. | |
Was Sie jetzt verstanden haben sollten |
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, mit denen Homologiemodelle berechnet werden können. Voraussetzung für die Anwendung dieser Methode ist die Existenz einer homologen Struktur. Einige Algorithmen sind per Web-Service nutzbar, andere müssen lokal installiert werden. | |