مقاله کاربرد ابزارهای بیوانفورماتیک در آنالیز پروتئین های ضروری

بخشی از مقاله

چکیده

درک درست سیستمهای پیچیدهی زیستی، اغلب نیازمند یک آنالیز جزء به کل است. از آنجا که تحقیق و بررسی سیستمها، نه بر پایهی اجزای مستقل بلکه بر اساس کل مجموعه استوار است، ابتدا باید هر یک از مؤلفهها را به صورت مستقل آزمود و سپس به بررسی چگونگی ارتباط آنها پرداخت. هزاران مؤلفهی شبکههای زیستی و نیز ارتباطات و اتصالات آنها را میتوان به کمک یک گراف نمایش داد که در آن هر رأس نمایندهی اجزا و یالها نشاندهندهی ارتباط بین آنها میباشد.

در این مقاله ابتدا روشها و مدلهایی از نظریهی گراف را توضیح می دهیم و سپس به بحث در مورد نقش چنین ابزارهایی در آشکارسازی ویژگیهای پنهان شبکههای زیستی خواهیم پرداخت. اطلاعات بهدست آمده به درک بهتر اهمیت زیستی سیستمها کمک میکند.

مقدمه

در چند دههی اخیر، پیشرفتهای حاصل در زمینهی علوم زیستی و تجهیزات مختلف موجب تسریع روند توالی یابی پروتئینهای بزرگ شده است. بانکهای مرسوم توالی پروتئین، - یونی پرُت - 1 و یا - ای ام بی ال - 2 گسترش یافتهاند و این حجم عظیم اطلاعات اهمیت بهکارگیری علوم جدیدی چون بیوانفورماتیک را در زیستشناسی به منظور صرفهجویی در وقت و هزینه مشخص میکند

بهطورکلی یک بررسی پروتئومیکس دارای سه مرحلهی اصلی جداسازی و تفکیک پروتئینها، بهدست آوردن اطلاعات در مورد آنها و در نهایت، ذخیرهسازی اطلاعات در بانکهای اطلاعاتی است. در مقایسه با روشهای قدیمیتر همچون ژلالکتروفورز دو بعدی و طیفسنجی جرمی3، مدلسازیهای بیوانفورماتیکی میتوانند مسیرهای شناسایی پروتئینها را کوتاهتر کنند و نیز با توجه به کاربرهای نوین بیومارکرها در شناسایی بیماریها قادر خواهند بود باعث تسریع روند گردآوری دادهها و ارائهی یک دیدگاه اولیه جهت تحقیقات شوند.

در سال 1999، کوهن4 یک نمونه از نقشهی تعاملات مولکولی تهیه کرد.[1] در سال 2000،اسکوِتز و فیلدز 5 مقالهای در مورد اندرکنشهای پروتئین - پروتئین6 در مخمر براساس آزمون دو هیبریدی ارائه دادند2] و .[3 در کشور ما مطالعات بیوانفورماتیکی، به طور معمول، از لحاظ تئوری بررسی میشوند اما با پررنگتر شدن اهمیت پروتئومیکس در شناسایی بیماریها وبیومارکرها و تهیه داروها، میتوان ضرورت به کارگیری چنین ابزارهایی را بیشتر احساس نمود.

شبکههای اندرکنش پروتئین

ظریف ترین سطوح جزئیات در زیست شناسی ، سطح مولکولی شامل – RNA – DNA پروتئینها و متابولیتها هستند.تمامی این مولکولها اجزإ تشکیل دهندهی یک سلول و قسمتی از یک بافت میباشند. بافتهای مختلف ، اندامهای یک موجود زنده را تشکیل می دهند وتعداد زیادی از موجودات زنده با یکدیگر یک اکوسیستم7 را ایجاد می کنند.

در طول زمان این موجودات زنده تکامل یافته وارتباط فیلوژنی مشخصی میانشان به وجود می آید. در تمامی این سطوح ، ارتباطات بین اجزإ تشکیل دهنده حائز اهمیت است؛ این ارتباطات را می توان به صورت یک شبکه توصیف نمود. شبکههای معروف زیستی در سطح مولکولی شامل شبکههای تنظیم ژن ، شبکههای متابولیکی ، شبکههای انتقال پیام و شبکههای اندرکنش پروتئینی هستند.

پروتئینها مواد آلی بزرگ و یکی از انواع ماکرومولکولهای زیستی هستند که از زیرواحدهایی به نام اسیدهای آمینه به واسطه پیوند پپتیدی میان گروههای کربوکسیل و آمین مجاور ساخته شده اند[4] واکثر فرآیندهای زیستی را در یک سلول زنده اجرا وکنترل میکنند. از چنین منظری پروتئینها شامل آنزیمها ، پروتئینهای ساختاری8، پروتئینهای تنظیمی9، مولکولهای سیگنالی و پروتئینهای دفاعی10 می باشند.[4] از آنجا که ژنها تعیین کننده ترتیب توالی اسیدهای آمینه هستند، همواره میان بررسی پروتئینها و ژنها نوعی پیوستگی وجود دارد. مقایسه ژنومیک در سطح توالی اولیه نشان می دهد که گونههای مختلف، بیشتر در اندرکنشهای پروتئینی تفاوت دارند تا ژنهای مستقلشان

به کلیه پروتئینهایی که در یک سلول بیان می شوند پروتئوم گفته می شود، پروتئوم حدفاصل بین ژنوم و مکانیسم مولکولی رفتار سلولی را پر می کند. زمانی که بیش از دو پروتئین به یکدیگر متصل شوند اندرکنش پروتئین- پروتئین رخ می دهد. امروزه محققین بر این باورند که پروتئینهای ناشناخته، در جریان مطالعه اندرکنش با پروتئینهای هدف شناخته شده و با عملکرد مشخص، قابل شناسایی هستند

از آنجا که با پیشرفتهای فناوری امکان ارزیابی اندرکنشهای پروتئین- پروتئین در مقیاس بزرگ فراهم شده است این امر منجر به شکل گیری نقشههای کامل اتصالات پروتئینی یا همان اینتراکتوم 11 گشته است که می توانند به عنوان چهارچوب12 اطلاعات زیستی در نظر گرفته شوند. دادههای حاصل از بیان ژن در واقع برداری از مقادیر یبان در طول نقاط و بازههای زمانی یک ژن خاص هستند، به عنوان مثال دادههای کشنده سنتتیک13 بیانگر این امر هستند که جفت ژنهای جهش یافته، سلول را به سوی بقا یا فنا سوق خواهند داد.اندرکنشهای پروتئینی را می توان بر اساس ویژگیهایی چون استحکام و پایداری، اختصاصی ویا غیراختصاصی بودن و شباهت زیرواحدهای اندرکنش تقسیم نمود.

اندرکنشهای فیزیکی اغلب به واسطه بخش مدولار 14 سطوح پروتئینی صورت می گیرد - دمین ساختاری - .15 در مواردی یک دمین از پروتئین با اتصال فیزیکی یا شیمیایی با دو یا تعداد بیشتری دمین از پروتئینهای دیگر اندرکنش می دهد وگاهی همزیستی دائمی می یابند؛ در بعضی مواقع هم دمینهای همرخداد16 با یکدیگر ادغام شده ویک دمین منفرد را تشکیل میدهند.

مسیرهای اندرکنشی مانند فسفریلاسیون، اغلب توسط دمینهای اندرکنشیشان تشخیص داده میشوند. علیرغم اینکه بسیاری از اندرکنشهای پروتئین - پروتئین دارای عملکردهای ویژه و اتصالات اختصاصی هستند و اندرکنشهای غیراختصاصی و ضعیف بسیار کمی وجود دارد اما تا زمانیکه اندرکنشهای اختصاصی ضرری برای ارگانیسمها نداشته باشند میتوانند در طی تکامل دوام بیاورند.

موریسون17 وهمکارانش پیشنهاد مدلی را دارند که شبکههای اندرکنش پروتئین را به واسطه اندرکنشهای برجسته دمینهای ساختاری مکمل توصیف می کرد؛ آنها این مدل را مدل قفل و کلید18 نامیدند[10] شکل 1 نمونهای از مدل قفل و کلید را نشان میدهد:

شکل : 1 شمایی ازیک مدل قفل و کلید . همانگونه که مشاهده می شود این شبکه دارای سه نوع اندر کنش و در مجموع 12 دمین اندرکنش است .

پروتئین شماره 6 شامل دو دمین اندر کنش است.

روشهای بسیاری برای تشخیص اندرکنشهای پروتئین-پروتئین وجود دارد، از جمله غربالگری با مخمر دوهیبریدی و اسپکترومتری جرمی؛ اما هنگامی که شبکههای اندرکنش پروتئین را در سطح اندرکنشهای دوتایی آنالیز میکنیم بیشتر اطلاعات از دست میرود چراکه پروتئینها اغلب عملکرد خود را با هم در یک گروه ویا بخشی از الگوی خاص ارائه میکنند. الگوریتمهای آنالیز گراف19 میتوانند مارا در درک این مسئله که چگونه پروتئینها به صورت منطقی به یکدیگر متصلند یاری دهند.

گراف

گراف G به صورت جفت G= - V,E - تعریف میشود به گونهای کهVمجوعهای از رئوس20 یا گرههاست21 و E مجموعهای ازیالهایی22 است که ارتباط بین گرهها را نمایش می دهند. یال e را هرگاه گرههای u وv را به هم وصل کند با نماد {u ,v}نشان میدهند و گفته میشود u و v مجاور یا همسایه23 یکدیگر هستند.[11] گرافها میتوانند جهت دار یا بدون جهت نیز باشند. در گرافهای جهت دار که در واقع یالها دارای جهت هستند به عنوان مثال E = - i , j - یال جهت دار به صورت پیکان نمایش داده میشود E = - i j - و بدین معناست که یال E از رأس i به عنوان مبدا خارج شده و به راس هدف j ختم میشود

در شکل2 نمونهای از گراف جهتدار و بدون جهت نمایش داده شده است:

اگر G یک گراف بدون جهت باشد و v یک رأس از گراف G، آنگاه تعداد یالهای رأس v را درجه 24رأس v در گراف G گوئیم و آن را با d - v - نمایش می دهیم. در یک گراف جهت دار هر گره دارای دو درجه مختلف است: یک درجه داخلی25یا degin - v - که شامل تعداد یالهائیست که به گره v وارد می شود و یک درجه خارجی26 یا degout - v - که شامل تعداد یالهائیست که از رأس v خارج می شود. در این صورت درجه گره v مجموع درجات داخلی وخارجی آن خواهد بود.

رئوس v,u از گراف G همبند27 خواهند بود اگر یک مسیر u-v بین آنها وجود داشته باشد و گراف G را همبند گویند اگر همه زوج رأسهای آن همبند باشند در غیر اینصورت گراف ناهمبند است . اگر دو راس v,u همبند باشند فاصله بین رئوس v,u را با نماد dist - u,v - نشان می دهند و به صورت کوتاه ترین مسیر بین آنها تعریف می شود، حال اگر دو رأس همبند نباشند فاصله بین آنها را در نظر می گیرند. در یک گراف همبند با n تعداد راس   یال وجود دارد. در شکل 3 تفاوت دو گراف همبند و ناهمبند نمایش داده شده است:

شکل :3مقایسه بین تعداد یالها بین دو گراف همبند وغیر همبند با تعداد مساوی از گره

برای استفاده از گراف در برنامههای رایانهای بایستی بتوان آن را در رایانه نمایش داد، در این راستا دو نوع نمایش متداول وجود دارد : ماتریس مجاورت و فهرست مجاورت. انتخاب بین این دو نمایش به عملیات گراف ، چگالی وتراکم گراف بستگی دارد.[4] به رئوسی که در گراف دارای درجه و اتصالات زیادی هستند هاب یا قطب28 گفته میشود. قطبهای شبکه اهمیت ویژهای دارند به گونهای که حذف آنها منجر به از بین رفتن و یا ناهمبند شدن شبکه میشود.

در گرافهای شبکههای اندرکنش پروتئین، گرهها متناظر با پروتئینها و یالها متناظر با اندرکنش بین پروتئینها هستند و غالبا جز شبکههای بدون جهت میباشند. در توپولوژی شبکههای زیستی اندرکنش پروتئین، به نظر می رسدکه از قوانین شبکههای بدون اندازه تبعیت29 میکنند و در آن پروتئینها با اندرکنش بیشتر تمایل دارند تا اتصالات بیشتری کسب کنند به گونهای که احتمال بیشتری وجود دارد که آنها با پروتئینهای مضاعف شده اندرکنش دهند.[10] وجود قطبها در این شبکهها باعث مقاوم شدن آنها در برابر تغییرات تصادفی میشود بنابراین حذف رئوس به صورت تصادفی ماهیت شبکه را از بین نمیبرد ولی حذف قطبها باعث فروپاشی شبکه میشود.

در شبکههای اندرکنش پروتئین-پروتئین، دو پروتئین ممکن است از لحاظ تکاملی با هم مرتبط باشند یا باهم عمل میکنند و یا با هم بیان شوند، بنابراین سه نوع ارتباط با معانی متفاوت خواهند داشت. در بانکهای اطلاعاتی مانند اِسترینگ30، ارتباطات بین پروتئینها در شبکههای اندرکنش پروتئین-پروتئین شرح داده میشود.

مرکزیت

به منظور مرتب سازی عناصر مختلف و تشخیص اهمیت ارتباط آنها در شبکههای خاص نیازمند کمیتی به نام مرکزیت هستیم. معیارهای مرکزیت مختلفی در این راستا مورد استفاده قرار میگیرند. تعدادی از پرکاربردترین معیارهای مرکزیت عبارتند از:

مرکزیت درجه که رئوس را بر مبنای درجه - تعداد اتصالات - آنها ارزش گذاری میکند.

مرکزیت نقطه مابینی که در واقع معیاری است برای تعیین اهمیت هر رأس بر پایه شرکت در ارتباط با سایر رئوس به گونهای که در صورت عدم حضور این رأس ویژه، امکان برقراری ارتباط بین بعضی رئوس دیگر وجود نداشته باشد.

مرکزیت بردار ویژه ، در این رتبه بندی یک رأس بر اساس میزان مرکزیت همسایههای آن ارزش گذاری میشود بنابراین مقادیر بالای مرکزیت همسایگان یک رأس، منجر به مرکزیت بالای آن رأس میگردد.