Кіріспе

Құрылымдық геномика белгілі бір геноммен кодталған әрбір белоктың үш өлшемді құрылымын сипаттауға бағытталған. Бұл геномға негізделген тәсіл, эксперименттік және модельдеу әдістерін біріктіре отырып, құрылымды анықтаудың жоғары өнімді әдісін қамтамасыз етеді. Құрылымдық геномика мен дәстүрлі құрылымдық болжаудың арасындағы негізгі айырмашылық – құрылымдық геномика геноммен кодталған барлық белоктардың құрылымын анықтауға тырысады, ал дәстүрлі болжау белгілі бір белокқа назар аударады. Толық геномдық тізбектердің болуы құрылымды болжауды эксперименттік және модельдеу әдістерін қолдану арқылы жылдамдатуға мүмкіндік береді, әсіресе көптеген тізбектелген геномдар мен бұрын шешілген белок құрылымдарының болуы ғалымдарға бұрын шешілген гомологтардың құрылымдары негізінде белок құрылымын модельдеуге мүмкіндік береді. Белок құрылымы белок функциясымен тығыз байланысты болғандықтан, құрылымдық геномика белок функциясы туралы білімді дамытуға ықпал етеді. Белок функцияларын анықтаудан басқа, құрылымдық геномика жаңа белок қатпарларын және жаңа дәрілерді іздеу үшін потенциалды мақсаттарды анықтауға көмектеседі. Құрылымдық геномика құрылымды анықтау үшін көптеген тәсілдерді қамтиды, соның ішінде геномдық тізбектерді пайдаланатын эксперименттік әдістерді, немесе белгілі құрылымы бар белоктың тізбегіне немесе құрылымдық гомологиясына негізделген модельдеу әдістерін, немесе белгілі құрылымға гомологиясы жоқ белок үшін химиялық және физикалық принциптерге негізделген әдістерді қолданады. Дәстүрлі құрылымдық биологиядан өзгеше, құрылымдық геномика арқылы анықталған белок құрылымы көбінесе (бірақ әрқашан емес) белок функциясы туралы ештеңе белгілі болмас бұрын жүзеге асырылады. Бұл құрылымдық биоинформатикада жаңа міндеттер тудырады, яғни үш өлшемді құрылымынан белок функциясын анықтау қажеттігі туындайды. Құрылымдық геномика белок құрылымдарын жоғары өнімді анықтауға баса назар аударады. Бұл арнайы құрылған құрылымдық геномика орталықтарында жүзеге асырылады. Көптеген құрылымдық биологтар жеке белоктардың немесе белок топтарының құрылымын зерттейтін болса, құрылымдық геномика мамандары геномдық масштабта белок құрылымдарын зерттейді. Бұл үлкен масштабта клондау, экспрессия және тазартуды білдіреді. Бұл тәсілдің басты артықшылығы – масштабтық экономия. Алайда, кейбір нәтижелердің ғылыми құндылығы кейде күмәнді болады. 2006 жылғы қаңтарда жарық көрген "Science" журналындағы мақала құрылымдық геномика саласын талдайды. Құрылымдық геномиканың бір артықшылығы, мысалы, Ақуыздық құрылым бастамасы, ғылыми қоғамдастыққа жаңа құрылымдарға, сондай-ақ клондар мен ақуыздар сияқты реагенттерге дереу қол жеткізуге мүмкіндік береді. Кемшілігі – осы құрылымдардың көпшілігі белгісіз функциясы бар белоктар болып табылады және оларға сәйкес жарияланымдар жоқ. Бұл осы құрылымдық ақпаратты ғылыми қоғамдастыққа жеткізудің жаңа тәсілдерін қажет етеді. Бірлескен құрылымдық геномика орталығының (JCSG) биоинформатикалық ядросы жақында жоғары өнімді құрылымдық геномика орталықтарынан түсетін белок құрылымдарын аннотациялау үшін вики-негізделген тәсілді, атап айтқанда Ашық белок құрылымдық аннотация желісін (TOPSAN) әзірледі.

Мақсаттар

Құрылымдық геномиканың бір мақсаты – жаңа протеин қалыптарын анықтау. Протеин құрылымын анықтаудың эксперименталдық әдістері жақсы экспресс болатын және/немесе кристалданатын протеиндерді қажет етеді, бұл осы эксперименталдық деректер арқылы түсіндірілетін протеин қалыптарының түрлеріне қатысты белгілі бір баяулықты тудыруы мүмкін. Ab initio модельдеу сияқты геномикалық, модельдеуге негізделген тәсілдер эксперименталдық тәсілдерге қарағанда жаңа протеин қалыптарын жақсырақ анықтай алады, себебі олар эксперименталды шектеулермен шектелмейді. Протеиннің функциясы 3D құрылымына байланысты, ал бұл 3D құрылымдар тізбектерге қарағанда жоғары сақталады. Осылайша, құрылымдық геномиканың жоғары өнімді құрылымды анықтау әдістері протеин функцияларын түсінуге үлкен үлес қосуы мүмкін. Бұл сондай-ақ жаңа дәрілерді табу және протеин инженериясы үшін де маңызды. Әрі қарай, құрылымдық деректер базасына қосылған әрбір протеин, базада басқа белгісіз протеиндердің гомологтық тізбектерінің болу ықтималдығын арттырады. Протеин құрылымын зерттеу бастамасы (PSI) – Ұлттық денсаулық сақтау институттары мен түрлі академиялық және өнеркәсіптік серіктестердің қаржылық қолдауымен жүзеге асырылатын, құрылымдық геномика тәсілін пайдаланып протеин құрылымы туралы білімді арттыруға және құрылымды анықтау әдістемесін жақсартуға бағытталған көп қырлы күш-жігер.

Әдістер

Структурлық геномика протеиндердің құрылымын анықтау үшін бірнеше тәсілмен толық геномдық тізбектерді пайдаланады. Көрсеткіш протеиннің гендік тізбегі белгілі тізбекпен салыстырылып, белгілі белоктың құрылымынан құрылымдық ақпаратты алуға болады. Структурлық геномика басқа құрылымдық деректерге сүйене отырып, жаңа белок бүктелімдерін болжау үшін қолданылуы мүмкін. Сондай-ақ, структурлық геномика белгісіз белок пен шешілген белок құрылымы арасындағы гомологияға негізделген модельдеу әдісін де қолдануы мүмкін.

de novo әдістері

Толық геномдық тізбектер әрбір ашық оқу фреймін (ORF) – геннің хабаршы РНК және белок тізбесін қамтитын бөлігін – клондырып, белок ретінде өрнектеуге мүмкіндік береді. Бұл белоктар тазартылып, кристалданады, содан кейін олардың құрылымын анықтаудың екі түрінің біріне: рентгендік кристаллографияға және ядролық магниттік резонансқа (ЯМР) талданады. Толық геномдық тізбек барлық ORF-ты күшейтуге, бактерияға клондырып, оларды өрнектеуге қажетті барлық праймерлерді жобалауға мүмкіндік береді. Осы дәстүрлі әдісті бүкіл геномдық көзқараспен қолдану арқылы геноммен кодталған барлық белоктарды бірден өрнектеуге болады. Бұл тәсіл геноммен кодталған әрбір белоктың құрылымын анықтауға мүмкіндік береді.

бастапқы модельдеу

Бұл тәсіл ақуыз тізбегінің деректерін және кодталған аминқышқылдарының химиялық және физикалық өзара әрекеттесуін пайдаланып, бұрын шешілмеген ақуыз құрылымдарымен гомологиясы жоқ ақуыздардың үш өлшемді құрылымдарын болжауға мүмкіндік береді. Ab initio модельдеудің ең табысты әдістерінің бірі – Rosetta бағдарламасы, ол ақуызды қысқа сегменттерге бөліп, қысқа полипептид тізбегін ең төмен энергиялы жергілікті конформацияға орналастырады. Rosetta коммерциялық және коммерциялық емес мақсаттар үшін Robetta бағдарламасы арқылы қолжетімді.

Тізбеге негізделген модельдеу

Бұл модельдеу әдісі белгісіз белоктың гендік тізбесін, белгілі құрылымы бар белоктардың тізбектерімен салыстырады. Тізбектердің ұқсастық деңгейіне байланысты, белгілі белоктың құрылымы белгісіз белоктың құрылымын анықтау үшін модель ретінде қолданылуы мүмкін. Жоғары дәлдіктегі модельдеу үшін, белгісіз белок пен анықталған құрылым арасында кемінде 50% аминқышқыл тізбек сәйкестігі болуы керек. 30-50% тізбек сәйкестігі орташа дәлдіктегі модельді береді, ал 30%-дан төмен тізбек сәйкестігі төмен дәлдіктегі модельді береді. Барлық құрылымдық мотивтерді кемінде бір рет көрсету және кез келген белгісіз белоктың құрылымын модельдеу арқылы дәл анықтау үшін кемінде 16 000 ақуыз құрылымын анықтау қажет деп болжануда. Дегенмен, бұл әдістің бір кемшілігі – құрылым тізбектен көбірек сақталады, сондықтан тізбекке негізделген модельдеу ақуыз құрылымдарын болжаудың ең дәл тәсілі болмауы мүмкін.

Қылқалам

Қабаттасқан ұқсастықтарға емес, тізбектердің сәйкестігіне негізделген құрылымдық модельдеу, тақырыптарды іздеуге мүмкіндік береді. Бұл әдіс алыс туысқан ақуыздарды анықтауға көмектеседі және молекулалық функцияларды болжауға қолданылады.

Құрылымдық геномиканың мысалдары

Қазіргі уақытта берілген протеомдағы әрбір белоктың құрылымын анықтауға қатысты бірнеше жұмыс жүргізілуде.

Термотога мортима протеомы

Біріккен құрылымдық геномика орталығының (ББГЖ), Протеин құрылымдары бастамасының (PSI) қазіргі мақсаттарының бірі – термофильді бактерия Thermotoga maritima-ның барлық ақуыздарының құрылымын анықтау. T. maritima 1877 геннен тұратын салыстырмалы түрде шағын геномға және термофильді бактериялардың өндіретін ақуыздарын кристалдастыру оңайырақ болады деген гипотез негізінде құрылымдық геномика мақсаты ретінде таңдалды. Lesley және авторлар T. maritima-ның барлық ашық оқу кадрларын (ORF) экспрессиялау үшін Escherichia coli қолданды. Содан кейін бұл ақуыздар кристалданып, сәтті кристалданылған ақуыздардың құрылымы рентгендік кристаллография арқылы анықталды. Басқа құрылымдардың қатарында, бұл құрылымдық геномикалық тәсіл TM0449 ақуызының құрылымын анықтауға мүмкіндік берді, ол жаңа түйінделгендік көрсетеді, себебі ол ешбір белгілі ақуызбен құрылымдық гомологияны бөліспейді.

Микобактерия туберкулезінің протеомы

Туберкулездің құрылымдық геномикасы консорциумының мақсаты – туберкулезді қоздыратын бактерия – Mycobacterium tuberculosis-тің әлеуетті дәрілік нысаналарының құрылымын анықтау. Туберкулезге қарсы жаңа дәрілік емдеуді әзірлеу, әсіресе, көп дәріге төзімді туберкулездің өрбуіне байланысты, өте маңызды. М. туберкулезінің толық секвенцияланған геномы ғалымдарға осы белоктардың көптерін тазалау және рентгендік кристаллография арқылы құрылымын анықтау үшін экспрессиялық векторларға клондауға мүмкіндік берді. Зерттеулер құрылымын анықтауға болатын бірнеше нысаналы белоктарды анықтады, оның ішінде патогенезге қатысқан клеткадан тыс белоктар, темірді реттейтін белоктар, қазіргі дәрілік нысаналар және жаңа бүктелулері болжамдалған белоктар. Қазірге дейін М. туберкулезінің кодтаған 708 белгісінің құрылымы анықталды.