Поиск информации и определение основных информационных ресурсов.

МГУ им. М. В. Ломоносова.

Курсовая работа по биоинформатике на тему

Поиск белков-мишеней циклопентеноновых простагландинов.

Научный руководитель: д.х.н. Сергеева Марина Глебовна

Студент: Решетников Роман

Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ

Группа 201

Москва 2003 год.

Аннотация

 

Циклопентеноновые простагландины (ЦПГ) активно исследуются в настоящее время как ключевые участки терапевтических стратегий нового поколения для лечения таких заболеваний как острые и хронические воспаления, рак, аутоиммунные заболевания. В данной работе была поставлена задача выявления возможных белков-мишеней действия циклопентеноновых простагландинов методами сравнения первичных белковых последовательностей и поиска родственных гомологов. За основу были взяты белки клеток человека, для которых точно известно, что они связывают циклопентеноновые простагландины – PPAR. Проведено их сравнение с белками других классов ядерных рецепторов (рецепторы тироидных, стероидных гормонов, ретиноевой кислоты). Выявлены участки консервативных последовательностей как имеющие отношение к процессу выполнения рецептором функций после активации циклопентеноновыми простагландинами. При сравнении лиганд-связывающих участков PPAR выделены специфические последовательности. Поиск гомологов привел к описанию нескольких белков, которые могут быть возможными мишенями действия циклопентеноновых простагландинов.

 

Введение

 

Разработка новых эффективных стратегий коррекции развития таких патологических процессов, как острые и хронические воспаления, сердечно-сосудистые заболевания и рак относится к фундаментальным проблемам, т.к. расширяет наши представления о молекулярных, биохимических и физиологических процессах живого, а также расширяет базу для решения прикладных задач фармакологии и медицины. Важную роль в регуляции процессов воспаления играют простаноиды [1]. В последние годы из этого класса веществ в отдельную группу выделяются так называемые циклопентеноновые простагландины, которые образуются при протекании воспалительных процессов и других условиях повышенного синтеза простаноидов [2]. Эти вещества обладают антипролиферативной и противовоспалительной активностью. Простаноиды синтезируются клетками из арахидоновой кислоты и действуют на клетки, активируя рецепторы плазматической мембраны, которые относятся к семейству G-белок связывающих рецепторов. Циклопентеноновые простагландины, которые образуются из простаноидов группы Е и Д, оказывают свое действие через белки-мишени, находящиеся внутри клеток. Таким образом, в рамках одного цикла превращений «арахидоновая кислота – простагландины – циклопентеноновые простагландины» образуется новое сигнальное вещество, действующее на принципиально другой тип рецепторов, т.е. происходит переключение сигнала с плазматической мембраны на внутриклеточные белки-мишени. Такая смена ответов является уникальной для простагландинов и не описана для других классов гормонов. Выявление механизмов синтеза и реализации действия циклопентеноновых простагландинов на уровне клеток, определение взаимосвязи функций этих веществ с действием арахидоновой кислоты и простагландинов на клетки и являются задачами современных исследований.

Значительную волну интереса к циклопентеноновым простагландинам вызвало в 1995 году открытие того факта, что 15d-PGJ2 является лигандом-активатором для PPAR [3,4]. PPAR являются членами суперсемейства ядерных рецепторов и включают в себя три типа – PPAR-альфа, бета и гамма. PPAR формируют гетеродимеры с ретиноидным рецептором и активируют экспрессию некоторых генов. Связывание лигандов, таких как 15d-PGJ2 с PPAR-гамма ведёт к активации транскрипции генов, имеющих PPAR-реагирующий элемент, локализованный на энхансере или промоторе. Альтернативно, связывание лиганда с рецептором может вести и к супрессии других генов, включая гены, кодирующие iNOS, TNF, COX-2 [5,6]. Однако существуют доказательства в пользу того, что существует альтернативный, PPAR-гамма-независимый механизм действия 15d-PGJ2. В настоящее время получены данные, что транскрипционный фактор NF-каппаB является также мишенью рецептор-независимой репрессии генов 15d-PGJ2 [7]. Имеются указания на существование других мишеней действия [8].

Целью данной работы является выявление возможных белков-мишеней действия циклопентеноновых простагландинов методами сравнения первичных белковых последовательностей и поиска родственных гомологов.

 

Были поставлены следующие задачи:

1. Определить основные понятия данной области исследования  и информационных ресурсов Internet.

2. Провести поиск гомологов PPAR и построить соответствующие филогенетические деревья.

3. Сравнить белковые последовательности рецепторов к тироидным, стероидным гормонам, а также ретиноевой кислоте с PPAR для выявления сходств и различий в механизмах их действия.

4. Выделить участки белковых последовательностей PPAR, связывающие циклопентеноновые простагландины,  и провести поиск гомологичных белков.

 

Методы и материалы

1. Поиск информации и определение основных информационных ресурсов. Сбор информации проводился с помощью Internet, были использованы поисковые системы Google и Rambler. Кроме этого, мы использовали базу PubMed банка данных NCBI.  

2. Построение филогенетических деревьев белков семейства ядерных рецепторов. Поиск белковых последовательностей проводился в банке данных SwissProt. Выравнивание последовательностей было проведено с помощью программы ClustalW, матрица выравнивания BLOSUM 62. Деревья были построены с помощью пакета Phylip на сайте института Пастера, визуализированы с помощью программы  TreeView.

3. Сравнение белковых последовательностей LBD ядерных рецепторов для выявления схожих участков. Для найденных записей мы выбирали уже выделенные в SwissProt LBD. Выравнивание проводилось с помощью программы AliBee, матрица выравнивания BLOSUM 62, визуализированы с помощью программы GeneDoc.

4. Сравнение белковых последовательностей PPAR с другими белками, связывающими циклопентаноновые простагландины. Поиск гомологов на основе результатов проделанной работы.Выравнивание было проведено с помощью программы AliBee, матрица выравнивания BLOSUM 62, визуализировано с помощью программы GeneDoc. Поиск гомологов проводился в банке доменов ProSite. При построении паттернов мы пользовались таблицей функционального сходства аминокислотных остатков, размещенной на сайте факультета биоинженерии и биоинформатики http://kodomo.cmm.msu.ru/FBB/index.html.

 

Результаты

Поиск информации и определение основных информационных ресурсов.

В результате поиска информационных ресурсов Internet были найдены следующие web-страницы:

1.http://obi.img.ras.ru/humbio/default.htm- русскоязычный сайт, содержащий информацию по разным областям медицины и по биоинформатике.

2.http://www.med2000.ru/perevod/perevod19.htm- сайт содержит энциклопедии, справочники, статьи, в том числе и переводные, на медицинскую тематику.

3.http://www.ncbi.nlm.nih.gov- огромный банк данных по белковым и другим последовательностям, статьи, книги, таксономия и многое, многое другое.

4.http://www.consilium-medicum.com/media/onkology/01_02/48.shtml- здесь можно найти информацию о ретиноевой кислоте.

5.http://www.vsma.ac.ru/~pharm/library/books/endo/part1-2.htm- учебник по эндокринологии.

На базе найденных ресурсов были определены основные положения и понятия, используемые в данной работе, которые приведены в приложении 1.

Анализ литературы показал, что PPAR, рецепторы к стероидным, тироидным гормонам, ретиноевой кислоте имеют функциональное сходство в механизмах их действия. Помимо этого, вышеперечисленные рецепторы имеют схожую доменную организацию.  

Рисунок 1. Обобщенная схема доменной структуры ядерных рецепторов.

Источник: Molecular Cell Biology 10. Regulation of Transcription Initiation 10.7. Molecular Mechanisms of Eukaryotic Trascriptional Control

Локализованный в центре последовательности домен, связывающийся с ДНК, проявляет значительную гомологию для разных рецепторов и включает в себя C4 цинк-фингерный домен. Расположенный на С-конце домен, связывающийся с гормоном, проявляет значительно меньшую степень гомологии. Расположенный на N-конце регион вариабелен по длине для различных рецепторов и содержит уникальные последовательности, может содержать один или более активационных доменов. Рисунок составлен для эстрогенового рецептора (553 аминокислотных остатка [aо]), прогестеронового рецептора (946 aо), глюкокортикоидного рецептора (777 aо), рецептора тироидного гормона (408 aо), и рецептора ретиноевой кислоты (432 aо).

PPAR, не указанные на рис.1, имеют схожую доменную структуру.

Рисунок 2. Обобщенная схема доменной структуры PPAR .

Источник: http ://www .comparative -hepatology .com /content /2/1/3

Наиболее консервативным регионом является С, который состоит из домена, связывающегося с ДНК. Домен E/F является доменом связывания с лигандом и содержит AF2 лиганд-зависимый активационный домен. Находящийся на N-конце A/B домен состоит из AF1 лиганд-независимого активационного домена. D-домен представляет собой своеобразный высокопластичный шарнир.

 

Домен AF2, показанный на рис. 2, является лиганд-зависимым. По этой причине при дальнейшей работе мы не рассматривали домен E/F  как два различных, для нас это был один домен, связывающийся с лигандом (в дальнейшем LBD).

Известно, что DBD у всех ядерных рецепторов состоит из двух цинк-фингерных доменов. В SwissProt домен, связывающийся с ДНК, несмотря на этот факт, рассматривается единое целое. Это связано с высокой степенью консервативности, демонстрируемой этим доменом. Мы также не рассматривали этот домен как два различных.