Кіріспе

Бақылау және есептеу арқылы болжауАқуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін болжау – биоинформатика және құрылымдық биологияны біріктіретін сала, ақуыздар жұптары немесе топтары арасындағы физикалық өзара әрекеттесулерді анықтау және тізімдеуге бағытталған. Ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін түсіну, ішкі жасушалық сигналдық жолдарды зерттеу, ақуыз кешендерінің құрылымдарын модельдеу және түрлі биохимиялық процестерге түсінік алу үшін маңызды. Ақуыздар жұптары арасындағы физикалық өзара әрекеттесулер эксперименттік түрде түрлі әдістер арқылы анықталуы мүмкін, соның ішінде ашытқы екі гибридтік жүйесі, ақуыз фрагментін толықтыру әдісі (PCA), аффиндік тазалау/массалық спектрометрия, ақуыз микромассивтері, флуоресценттік резонанстық энергия алмасуы (FRET) және микромасштабты термофорез (MST). Көптеген түрлердің интерактомын эксперименттік жолмен анықтау жұмыстары жүріп жатыр. Эксперименттік жолмен анықталған өзара әрекеттесулер көбінесе өзара әрекеттесулерді болжауға арналған есептеу әдістерінің негізін құрайды, мысалы, түрлер арасындағы гомологты ақуыз тізбектерін пайдалану. Дегенмен, бұрынғы өзара әрекеттесу туралы мәліметтерсіз, жаңадан (de novo) өзара әрекеттесуді болжауға мүмкіндік беретін әдістер де бар.

Әдістер

Бір-бірімен әрекеттесетін ақуыздардың бірге эволюцияға ұшырау ықтималдығы жоғары, сондықтан олардың филогенетикалық қашықтығына сүйене отырып, ақуыздар жұптарының өзара әрекеттесуі туралы қорытындылар жасауға болады. Кейбір жағдайларда, өзара әрекеттесетін ақуыздар жұптары басқа организмдерде біріккен орфологтарға ие екені байқалды. Бұған қоса, байланысқан ақуыз кешендерінің көптеген құрылымдары анықталды және бұл өзара әрекеттесуді қамтамасыз ететін аминқышқылдарды анықтауға мүмкіндік береді, соның арқасында басқа организмдерде ұқсас мотивтерді табуға болады.

Филогенетикалық профильдеу

[[Файл:Филогенетикалық профильдеу әдісі.png|thumb|Сурет А. Төрт геннің (A, B, C және D) филогенетикалық профильдері оң жақта көрсетілген. "1" геннің геномда болуын, ал "0" геннің жоқтығын көрсетеді. А және В гендерінің екі бірдей профилі сары түспен белгіленген. Сурет А 5 түрлі геномдағы бірдей филогенетикалық профильдеріне байланысты А және В ақуыздары функционалды түрде байланысты деп есептелетін гипотетикалық жағдайды көрсетеді. Бірлескен геном институты (JGI) жеке гендер мен ген кассеталары үшін филогенетикалық профильдеу құралы бар, интеграцияланған микробтық геномдар мен микробиомдар дерекқорын (JGI IMG) ұсынады.

Бірлескен эволюцияланған ақуыз жұптарын ұқсас филогенетикалық ағаштарға негізделген болжау

Лигандтар мен рецепторлардың филогенетикалық ағаштары, кездейсоқ сәйкестікке қарағанда, көбінесе бір-біріне ұқсас екені байқалды. Бұл, олардың ұқсас таңдау қысымына тап болғандықтарынан және бірге эволюциялағандықтарынан болуы мүмкін. Бұл әдіс, өзара әрекеттесудің болуын анықтау үшін ақуыз жұптарының филогенетикалық ағаштарын пайдаланады. Мұны істеу үшін, қызығушылық тудыратын ақуыздардың гомологтары ізделеді (BLAST сияқты тізбек іздеу құралын қолдана отырып) және әрбір қызығушылық тудыратын ақуыз үшін қашықтық матрицаларын құру үшін көптеген тізбектерге сәйкес келу жүргізіледі (Clustal сияқты сәйкес келу құралдарын пайдалану арқылы). Қашықтық матрицалары филогенетикалық ағаштарды құру үшін қолданылуы керек. Дегенмен, филогенетикалық ағаштарды салыстыру қиын, ал қазіргі әдістер бұл қиындықты тек қашықтық матрицаларын салыстыру арқылы шешеді. Ақуыздардың қашықтық матрицалары корреляциялық коэффициентті есептеу үшін қолданылады, онда жоғары мән коэволюцияға сәйкес келеді. Филогенетикалық ағаштардың орнына қашықтық матрицаларын салыстырудың артықшылығы – нәтижелер қолданылған ағаш құру әдісіне тәуелді емес. Керісінше, айырмашылық матрицалары филогенетикалық ағаштардың толыққанды бейнесі емес, және осындай шартты жолдың қолданылуынан қателіктер туындауы мүмкін. Тағы бір ескеруге лайық мәселе – кез келген ақуыздың, тіпті өзара әрекеттеспейтіндердің де филогенетикалық ағаштары арасындағы ұқсастықтар. Егер бұл ескерілмесе, бұл жоғары жалған оң нәтижелерге әкелуі мүмкін. Осы себепті, кейбір әдістер 16S рРНК тізбектерін пайдаланып, өмірдің канондық ағашы ретінде қолданылатын фондық ағашты құрастырады. Осы өмір ағашынан құралған қашықтық матрицасы, қызығушылық тудыратын ақуыздардың қашықтық матрицаларынан алынады. Алайда, РНК қашықтық матрицалары мен ДНК қашықтық матрицаларының масштабтары әртүрлі, себебі РНК мен ДНК-ның мутация жылдамдықтары әртүрлі болғандықтан, РНК матрицасын ДНК матрицаларынан шегеру үшін оны қайта масштабтау қажет. Молекулалық сағат ақуыздарын пайдалану арқылы ақуыз аралық/РНК аралық масштабтау коэффициентін есептеуге болады. Бұл коэффициент РНК матрицасын қайта масштабтау үшін қолданылады. Сурет B. Адамның сукцинил CoA трансфераза ферменті суреттің жоғарғы жағындағы екі көк және жасыл жолақтармен көрсетілген. Ацетат-CoA трансфераза ферментінің альфа- кішібірлігі ферменттің бірінші жартысына гомологты және көк жолақпен көрсетілген. Ацетат-CoA трансфераза ферментінің бета- кішібірлігі ферменттің екінші жартысына гомологты және жасыл жолақпен көрсетілген. Бұл сурет Uetz, P. & Pohl, E. (2018) Protein–Protein және Protein–DNA өзара әрекеттесулерінен бейімделген. Wink, M. (ред.), Молекулалық биотехнологияға кіріспе, 3-ші басылым. Wiley VCH, баспаға дайын.

Розетта тасы (гендер бірігуі) әдісі

Розетта тасы немесе Домендік бірігу әдісі, өзара әрекеттесетін ақуыздар кейде бір ақуызға бірігіп кететіні туралы гипотезға негізделген. Мысалы, Escherichia coli бактериясындағы trpA және trpB гендері, бір реакцияны катализдеу үшін өзара әрекеттесетін триптофан синтетаза ферментінің екі суббірлігін кодтайды. Осы екі геннің жанында орналасуы тоғыз түрлі бактериялық және археялық геномдарда сақталғаны көрсетілді.

Гомологты құрылымдардан өзара әрекеттесудің қорытындылау

Бұл әдістер тобы белгілі ақуыз кешендерінің құрылымдарын пайдаланып, сұраныс тізбектері арасындағы өзара әрекеттесуді болжау және құрылымдық модельдеу үшін қолданылады. Болжам жасау процесі әдетте сұраныс тізбектеріне гомологты ақуыз кешендерінің құрылымдарын іздеу үшін тізбекке негіделген әдіс (мысалы, Интерлог) қолданудан басталады. Осы белгілі кешендердің құрылымдары сұраныс тізбектері арасындағы өзара әрекеттесуді құрылымдық түрде модельдеу үшін шаблон ретінде пайдаланылады. Бұл әдістің артықшылығы – ақуыздың өзара әрекеттесуін ғана анықтау емес, сонымен қатар ақуыздардың құрылымдық өзара әрекеттесуінің модельдерін ұсыну, бұл осы өзара әрекеттесудің атомдық деңгейдегі механизмі туралы түсінік беруге мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл әдістердің болжам жасау мүмкіндігі белгілі ақуыз кешендерінің құрылымдарының шектеулі санымен байланысты.

Қауымдастыру әдістері

Қауымдасу әдістері өзара әрекеттесетін және өзара әрекеттеспейтін жұптарды ажыратуға көмектесетін ерекше тізбектерді немесе мотивтерді іздейді. Классификатор бір протеиннің бір тізбектік белгісін, ал оның өзара әрекеттесетін серігінің басқа тізбектік белгісін қамтитын тізбектік белгілер жұптарын іздеу арқылы оқытылады. Олар, ең алдымен, кездейсоқ жағдайдан гөрі жиірек кездесетін тізбектік белгілерді анықтауға тырысады. Бұл үшін логарифмдік мүмкіндіктер есебі қолданылады, ол log2(Pij/PiPj) формуласымен есептеледі, мұнда Pij – бір ақуыз жұбында i және j домендерінің байқалған жиілігі; ал Pi және Pj – деректердегі i және j домендерінің базалық жиіліктері. Оң логарифмдік мүмкіндіктер есебін және деректер базасында бірнеше рет кездесуін көрсететін домендік өзара әрекеттесулер болжамды деп есептеледі. Бұл әдістің кемшілігі – ол өзара әрекеттесетін домендердің әрбір жұбын жеке қарастырады және олардың бір-біріне тәуелсіз әрекеттесетінін қабылдайды.

Құрылымдық үлгілерді анықтау

Бұл әдіс PDB дерекқорынан белгілі ақуыз-ақуыз байланысқан жерлердің кітапханасын құрайды, онда байланысқан жерлер қатысатын атомдардың Ван дер Ваальс радиусынан сәл үлкен шектен төмен орналасқан полипептидтік фрагменттердің жұптары ретінде анықталады. Кітапханадағы аминқышқыл тізбектері құрылымдық сәйкестік бойынша топтастырылады және қайталама тізбектер алынып тасталады. Белгілі бір позицияда жиі кездесетін (әдетте >50%) аминқышқылдар ыстық нүктелер деп есептеледі. Бұл кітапхана мақсаттардың жұптары арасындағы потенциалды өзара әрекеттесуді анықтау үшін қолданылады, егер олардың құрылымы белгілі болса (яғни PDB дерекқорында бар).

Бейес желісін модельдеу

Бейес әдістері эксперименттік нәтижелер мен алдын ала есептеулердің болжамдарын қоса алғанда, әртүрлі көздерден алынған деректерді біріктіреді және белгілі бір белок өзара әрекеттесуінің нақты оң нәтиже болу ықтималдығын бағалау үшін осы мүмкіндіктерді пайдаланады. Бұл әдістердің пайдалы болуына себебі, эксперименттік процедуралар, әсіресе ашытқы екі гибриді эксперименттері өте қателі және көптеген жалған оң нәтижелер тудырады, ал бұрын айтылған есептеу әдістері белгілі бір ақуыз жұбы өзара әрекеттесуі мүмкін екенін көрсететін ғана айғақтарды ұсына алады.

Домендік жұптарды алып тастау талдау

Домендік жұптарды қанағаттандырмау талдауы, Байес әдістерін қолдану арқылы анықтау қиын домендік өзара әрекеттесулерді анықтайды. Байес әдістері ерекше емес, кең таралған өзара әрекеттесулерді анықтауда жақсы, бірақ сирек кездесетін ерекше өзара әрекеттесулерді анықтауда тиімді емес. Домендік жұптарды қанағаттандырмау әдісі екі доменнің өзара әрекеттесуін өлшейтін E көрсеткішін есептейді. Ол, домендер өзара әрекеттессе екі ақуыздың өзара әрекеттесу ықтималдығының логарифмі / домендер өзара әрекеттеспесе екі ақуыздың өзара әрекеттесу ықтималдығының логарифмі ретінде есептеледі. Формулаға қажетті ықтималдықтар, статистикалық модельдердегі параметрлерді бағалау әдісі болып табылатын Күту-максимизациялау процедурасын қолдану арқылы есептеледі. Жоғары E көрсеткіші екі доменнің өзара әрекеттесуі мүмкін екенін көрсетеді, ал төменгі көрсеткіш ақуыз жұбын құрайтын басқа домендердің өзара әрекеттесуге жауапты болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл әдістің кемшілігі – тәжірибелік деректердегі жалған оң және жалған теріс нәтижелерді ескермеуі.

Бақылаумен оқыту проблемасы

PPI болжау мәселесін қадағалаулы оқыту мәселесі ретінде қарастыруға болады. Осы парадигмада белгілі ақуыздық өзара әрекеттесулер ақуыздар туралы деректердің (мысалы, әртүрлі тәжірибелік жағдайлардағы әр геннің экспрессия деңгейі, орналасу ақпараты, филогенетикалық профиль және т.б.) негізінде екі ақуыздың арасында өзара әрекеттесудің болуын немесе болмауын болжайтын функцияны бағалауды бақылайды.

Қосылу әдістерімен байланыс

Ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін болжау саласы, белгілі құрылымы бар екі ақуызды байланысқан кешенге геометриялық және кеңістіктік ескерулер арқылы орналастыруға тырысатын ақуыз-ақуыз доктеу саласымен тығыз байланысты. Бұл, жұптың екі ақуызының да құрылымы белгілі және олардың өзара әрекеттесетіні мәлім (немесе кем дегенде күдікпен қаралатын) жағдайларда пайдалы зерттеу тәсілі. Алайда, көптеген ақуыздарда эксперименттік жолмен анықталған құрылымдар болмағандықтан, тізбекке негізделген өзара әрекеттесуді болжау әдістері организмнің интерактомын эксперименттік зерттеулерімен бірге қолдануда ерекше пайдалы.