Predicción de Estructura 3D de Proteínas Reconocimiento de Plegamiento (threading) Florencio Pazos ALMA Bioinformatics, S. L.

MREYKLVVLGSGGVGKSALTVQFVQGIFVDEYDPTIEDSY RKQVEVDCQQCMLEILDTAGTEQFTAMRDLYMKNGQGFAL VYSITAQSTFNDLQDLREQILRVKDTEDVPMILVGNKCDL EDERVVGKEQGQNLARQWCNCAFLESSAKSKINVNEIFYD LVRQINR MLEILDTA GTEQFT AMRDLYMKNGQGFAL VYSITAQSTFNDLQDLREQILRVKDTEDVPMILVGNKCDL EDERV

Clasificaciónes de m₫todos de predicción de estructura de proteínas Representación de la proteína 1D 2D 3D 4D Uso de información extra Ab Initio No Ab-Initio pred. str. secundaria mutaciones correlacionadas - dinámica molecular - minimización de energía pred. str. secundaria - modelado por homología - threading AAVLYFGREDHTLLVY docking con filtros Secundaria terciaria cuaternaria Nivel estructura proteínas

Relación entre parecido estructural y parecido en secuencia Chotia & Lesk, 1986 %id seq. => misma str. 3D seguro %id seq. => a veces misma str. a veces no } dependiendo del tamaño de la región alineada

Espacio de estructuras Espacio de secuencias Diseño por homología threading Relación entre parecido estructural y parecido en secuencia

Campos de aplicación de Modelado por Homología y Threading threading modelado por homología % id seq. con alguna estructura

Algoritmos de threading. General. Secuencia problema

1. Library of protein structures (fold library) all known structures representative subset (seq. similarity filters) structural cores with loops removed 2. Binary alignment algorithm with Scoring function contact potential environments Instead of aligning a sequence to a sequence, align strings of descriptors that represent 3D structual features. Usual Dynamic Programming: score matrix relates two amino acids Threading Dynamic Programming: relates amino acids to environments in 3D structure 3. Method for generating models via alignments Algoritmos de threading. General. ALMVWTGH

Algoritmos de threading Función de Puntuación ALMVWTGH Aminoácido en ambiente similar a como suele estar en estructuras conocidas. - Potenciales de solvatación. - Potenciales de contacto. - Coincidencia de estructuras secundarias (real y predicha) y accesibilidades. - Matrices de homología remota extraídas de alineamientos estructurales Búsqueda con Modelos de Markov (HMMs).

•Count pairs of each residue type at different separations Algoritmos de threading Potenciales de contacto Energy of interaction = -KT ln (frequency of interactions) Boltzmann principle d E counts d Jones, 1992; Sippl, 1995

Secondary structure prediction Prediction- based threading Algoritmos de threading Coincidencia de estructura secundaria y accesibilidad Rost,

Algoritmos de threading Perfiles de secuencia + estructura secundaria Kelley et al.,

threading. Ejemplos

threading Post-procesamiento de resultados Combinación con información adicional

threading Post-procesamiento de resultados Combinación con información adicional Devos et al., 2001

threading Post-procesamiento de resultados Visualización y manipulación interactiva de modelos Pazos et al.,

threading Post-procesamiento de resultados Automatización. Combinación de resultados

threading Post-procesamiento de resultados Automatización. Filtrado de modelos De Juan et al., 2001

threading Evaluación de m₫todos I) CASP 94, 96, 98, 00, 02 Databases Algorithm Computer evaluation MAKEFGIPAAVAGTVLNVVEAGGWVTTIVSILTAVGS GGLSLLAAAGRESIKAYLKKEI KKGKRAVIAW 1/3 correct fold (ali?) MODEL(S) EVALUATION

threading Evaluación de m₫todos II) CAFASP 98, 00, 02 ~dfischer/CAFASP2

threading Evaluación de m₫todos III) EVA/LiveBench

Modelado por Homología vs. Threading threading modelado por homología % id seq. con alguna estructura aplicación calidad modelos cualquier secuencia >= 30% con algun PDB fold alineamiento nivel atómico cadenas laterales - loops - diferencia en loops y gaps - movimientos de dominios - cambios en el backbone

Predicción de estructura. Pasos secuencia problema Localización proteína BLAST ¿se parece a alguna prot. str. conocida? BLAST contra PDB SI NO búsqueda molde y alineamiento core loops.... servidores de diseño por homología SWISSMODEL dom1 dom2... modelo 3D ¿dominios? - experimental - PFAM/ProDom/InterPro - BLAST^^^ Evaluación de modelos - ProSa - Biotech suite modelo 3D completo Servidores de threading: 3DPSSM SAMT99... modelo 1 modelo 2 modelo 3 modelo Predicciones 1D: str. secundaria/acc., hidrofobicidad, transmembrana 2D: contactos Conocimiento biológico MedLine, Swissprot,... Centro activo, Mutantes, Dominios funcionales, cofactores,.... Alineamiento múltiple BLAST+ClustalW posiciones conservadas, mutaciones correlacionadas,... modelo 1 modelo 2 Visualización y comparación de modelos: Threadlize Clasificaciones estructurales: FSSP, SCOP modelo 3D (solo C  ) Generación de cadenas laterales canónicas MaxSprout

Predicción de Estructura 3D de Proteínas Reconocimiento de Plegamiento (threading) Florencio Pazos ALMA Bioinformatics, S. L.