Attila Gürsoy Bilgisayar Mühendisliği Koç Üniversitesi Protein-Protein Etkileşimlerinin Hesaplamalı Yöntemlerle Tahmin Edilmesi Attila Gürsoy Bilgisayar Mühendisliği Koç Üniversitesi

Özet Protein-protein etkileşimleri Yapısal benzerlik ve evrimsel korunmuş özellikleri kullanarak protein etkileşimlerinin tahmin edilmesi PRISM: protein-protein etkileşimleri için web tabanlı sunucu ve veritabanı Neden protein-protein etkileşimleri tahmin hesaplarını grid üzerine taşımak istiyoruz?

Protein-protein etkileşimleri Vücudumuzdaki birçok biyolojik olay proteinlerin birbirleri ile bağlanıp/ayrışmaları sonucunda geçekleşmektedir (enzim/sübstrat, hormon/reseptör, antikor/antijen bağlanmaları, sinyal iletilmesi, maddelerin hücre içinde taşınması, RNA/DNA sentezlenmesi gibi) Protein etkileşimlerinin oluşmasını sağlayan ana sebepleri anlamak moleküler seviyede bu olayların kontrolu için büyük bir adım olacaktır. İlaç tasarımı

Protein etkileşimleri karmaşık bir ağ oluşturur The first model organism interaction maps were generated for yeast, over 5600 interactions involving 69% of the yeast proteins

Protein etkileşimlerin bulunması/tahmini Deneysel Yeast 2 Hybrid Hesaplamalı Protein/Gen veri tabanları Dizi İkincil yapılar 3 boyutlu yapı Fonksiyonel anotasyonlar Etkileşim verileri Gen ifade dizileri

3 boyutlu yapısı bilinen proteinler Protein Veri Bankası http://www.pdb.org 3 boyutlu yapısı bilinen proteinler Şubat 2007: 40000’den fazla protein yapı biligisi Hızla artıyor The importin complex shown here (built from three separate PDB entries) transports proteins with nuclear localization signals. At the top in blue is importin-beta (PDB entry 1qgk). It wraps around the end of importin-alpha, shown at the center in green (PDB entry 1ee5). Importin-alpha is an adapter molecule that connects importin-beta with the cargo. In this picture, the cargo is nucleoplasmin, shown at the bottom in yellow (PDB entry 1k5j), a chaperone protein that is important in nucleosome assembly. Notice how the extended nuclear localization signal of this cargo is gripped by importin-alpha. Ayın proteini (Ocak 2007) İmportin : Taşıyıcı protein

Protein etkileşim arayüzü Proteinlerin etkileştiği yüzey bölgeleri. İki protein arayüzeyinin birbirine göre şekilsel ve kimyasal olarak uyumlu olması gerekmektedir. Ara yüzlerdeki bazı kritik ve evrim boyunca korunmuş amino asitlerde önemli.

Bilinen protein yapılarını kullanarak protein etkileşimlerini tahmin etmek … 1 2 3 IL TL TR IR TL x TR Protein Veri Bankasında, protein arayüzlerini bulmamızı saylayacak protein kompleksleri var.(1) Bir arayüzün, başka bir yüzeye benzerliğini hesaplayarak (2) Geometrik benzerlik Kimyasal benzerlik Evrimsel korunum Bu arayüz üzerinden potansiyel olarak etkileşebilecek proteinler bulunabilir (3)

Arayüzey benzerlik tanımı Yapısal benzerlik Üç boyutlu uzayda en az farkı vercecek uygun transformasyonu bulmak “Geometrik hashing” Evrimsel bezerlik Arayüzler yapısal olarak hizalanıp, korunmuş “sıcak amino asitler” bulunabilir. Yüzey çıkarma: NACESS Yapısal hizalama: Multiprot S. Hubbard and J. Thornton. NACCESS v2.1.1 - atomic solvent accessible area calculations, 1996. http://wolf.bms.umist.ac.uk/naccess/. M. Shatsky, R. Nussinov, and H. J. Wolfson. MULTIPROT - a multiple protein structural alignment algorithm. In Lecture Notes in Computer Science, volume 2452, pages 235–250. Springer Verlag, 2002.

Sonuçlar: Tahmin edilen etkileşimler PVB’den 2002 yılından alınmış protein yapıları kullanarak 67 arayüzey 6000 hedef protein 1 işlemci kullanarak yaklaşık 1 ay hesaplama süresi

Doğrulanmış tahminler

Doğrulanmış bir etkileşim These are the some results from predictions. Some computationally predicted interactions are verified in the literature (exprerimental). These suggests usefulness of our approach and importance of unverified predictions as potential interactions. Example: BRCA1 protein, as a tumor suppressor, plays an important role in maintaining genomic stability. It has been reported that disruption of the potential of BRCA1 to form complexes with RAD50 (via inherited mutations or epigenetic mechanisms in sporadic cancers) leads to loss of DNA repair ability. Verfied in literature RAD50 - DNA double-strand break repair protein (1l8dB) ↔ BRCA1 - Breast cancer susceptibility protein (1miuA) via 1aq5AC

Doğrulanmış bir başka etkileşim MDM2 - P53 tumor supressor inhibitor (1ycqA) ↔ Growth factor receptor bound protein (1azeA) via 1azeAB

Literatürde doğrulanmamış fakat yüksek olasıklı bir etkileşim Example interaction (unverified) with strong evidence Parathyroid hormone (PTH) regulates calcium and phosphorus levels in blood by inducing transport of an inactive form of vitamin D (calcidiol) from liver to kidney and its conversion into active form (calcitriol) in proximal tubules. Although an interaction has not been reported in literature, during megalin mediated uptake, PTH may be interacting with the DBP-calcidiol complex through DBP while exerting its regulatory action on calcitriol synthesis. Not directly verified literature but strong evidence exists Vitamin D binding protein (1et1[AB]) ↔ Parathyroid hormone 1kxpD via1cosAC

PRISM http://prism.ccbb.ku.edu.tr

PRISM: web tabanlı mimari PRISM Server (http://prism.ccbb.ku.edu.tr) Web Server (Apache) Relational Database (MySQL) PHP A web application for exploring a collection of protein interfaces on known complexes and predicted protein-protein and domain-domain interactions. A web interface to the contents of the database + on-line tools for assistance. A relational database of interfaces and their interactions. Implemented using MySQL. PHP+MySQL: an open-source, general purpose programming language used mainly for developing server-side applications and dynamic web content. Builtin support for interacting with numerous DBMS. External programs: e.g. RasMol for image generation, BLAST for sequence search, Naccess for ASA calculations Over 60 PHP scripts used for the presentation of the contents and generation and maintenance of the database itself Client External Programs

PRISM Arayüz veritabanı ve sorgulama Arayüz detayları, 3d görüntüleme Online Help System Personal History Navigation Menu Web tools: PDB header summary, interactive interface visualization, protein domain mapping, functional annotation, online protein interaction prediction, network visualization. Context Sensitive Help

PRISM Tahmin edilmiş protein etkileşimlerin sorgulanması Etkileşim algoritması yeni yapılar için çalıştırılarak, var olan arayüzeyler aracılığıyla etkileşmesi sorgulanabilir

PRISM Etkileşimlerin ağ olarak görüntülenmesi

Etkileşimlerin fonksiyonel benzerliklerine göre gruplama annotates annotation Parent_of

Neden Grid: Şu andaki sonuçlar: Yaklaşık 6000 protein yapısı ve 67 arayüzey için (2002 PVB), 1 aylık bir hesaplama zamanı gerekti. Biyolojik verilerde ve algoritmalarda devamlı iyileşmeler oluyor Şu anda PVB’de 40000 yapı var Daha fazla arayüzey Arayüzeyleri daha iyi kategorize etme imkanı (kristal, biyolojik) Benzerlik hesabının daha iyi yapılması 40000 protein, 2000 arayüz için bir CPU zamanı yaklaşık 240 gün Paralel versiyonu (MPI) süreyi önemli ölçüde kısaltıyor Current implementation requires that all the data (proteinstructure) and programs doing surface extraction and structural alignment are locally available. However, protein structure database is a very large data set. In addition, it changes everyday. Therefore, a program that accesses the remote protein data bank and processing only the recent additional data seems more appropriate.

Gride uyarlamanın avantajları Daha hızlı. Algoritmada bağımsız bir çok iş var Kullandığımız “yüzey çıkarma”, “dizi hizalama” ve “yapısal hizalama” hesapları Grid üzerinden servis olaraka alınabilir (yaygın). Yeni algoritmalar geliştirildikçe, otomatik olarak yeni algoritmaları kullanabilmek Protein yapı bilgisine uzaktan hesap sırasında erişebilmek Yeni data geldikçe güncelleme Hesaplanan etkileşim verileri diğer araştırmacılara grid üzerinden servis olarak verilebilir.

Gride uyarlama Şu andaki durum G-PPI: Protein-protein Interaction Prediction Application Koç Universitesi Attila Gürsoy, Özlem Keskin, Cengiz Ulubaş Bilkent Üniversitesi Cevdet Aykanat, Eray Özkural Şu andaki durum Bir yerel bilgisayarda çalışan paralel versiyon Prototip grid uyarlaması Bonn Presentation

Interaction Prediction Results DB Prototip Mimari Interaction Prediction Service Similarity Scoring Service Surface Extraction Service Computing Element Computing Element Surface Extraction Service Similarity Scoring Service Resource Broker Computing Element Computing Element Protein Structure DB Protein Interface DB Surface DB Similarity Scores DB Storage Element Storage Element Storage Element Storage Element