الربط (تسلسل البروتين)

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في علم الأحياء الجزيئي ، يُعدّ ربط البروتينات ، المعروف أيضًا باسم التعرف على الطي ، أسلوبًا لنمذجة البروتينات يُستخدم لنمذجة البروتينات التي لها نفس الطي مع بروتينات ذات بنى معروفة ، ولكن ليس لها بروتينات متماثلة ذات بنية معروفة. ويختلف هذا الأسلوب عن أسلوب نمذجة التماثل في التنبؤ بالبنية، حيث يُستخدم ربط البروتينات للبروتينات التي لا تتوفر لها بنى بروتينية متماثلة في بنك بيانات البروتينات (PDB)، بينما تُستخدم نمذجة التماثل للبروتينات التي تتوفر لها هذه البنى. ويعتمد ربط البروتينات على المعرفة الإحصائية للعلاقة بين البنى المودعة في بنك بيانات البروتينات وتسلسل البروتين المراد نمذجته.

تُجرى عملية التنبؤ من خلال "ربط" (أي وضع ومحاذاة) كل حمض أميني في التسلسل المستهدف بموقع في بنية القالب، وتقييم مدى تطابق الهدف مع القالب. بعد اختيار القالب الأنسب، يُبنى النموذج البنيوي للتسلسل بناءً على المحاذاة مع القالب المُختار. يعتمد ربط البروتينات على ملاحظتين أساسيتين: الأولى، أن عدد الطيات المختلفة في الطبيعة قليل نسبيًا (حوالي 1300)؛ والثانية، أن 90% من البنى الجديدة المُقدمة إلى بنك بيانات البروتينات (PDB) خلال السنوات الثلاث الماضية لها طيات بنيوية مشابهة لتلك الموجودة بالفعل في بنك بيانات البروتينات.

تصنيف بنية البروتين

توفر قاعدة بيانات التصنيف البنيوي للبروتينات (SCOP) وصفًا تفصيليًا وشاملًا للعلاقات البنيوية والتطورية للبروتينات المعروفة. تُصنف البروتينات لتعكس كلًا من الترابط البنيوي والتطوري. توجد مستويات عديدة في التسلسل الهرمي، لكن المستويات الرئيسية هي: العائلة ، والفصيلة العليا ، والبنية.

  • العائلة (علاقة تطورية واضحة): البروتينات المصنفة ضمن عائلات ترتبط تطوريًا بشكل واضح. يعني هذا عمومًا أن نسبة تطابق الأحماض الأمينية بين أزواج البروتينات تبلغ 30% أو أكثر. مع ذلك، في بعض الحالات، توفر الوظائف والبنى المتشابهة دليلًا قاطعًا على الأصل المشترك حتى في غياب تطابق عالٍ في تسلسل الأحماض الأمينية؛ على سبيل المثال، تشكل العديد من بروتينات الغلوبين عائلة واحدة رغم أن بعض أعضائها لا تتجاوز نسبة تطابق تسلسل الأحماض الأمينية فيها 15%.
  • العائلة الفائقة (أصل تطوري مشترك محتمل): تُصنف البروتينات التي تتشابه تسلسلاتها بشكل طفيف، ولكن خصائصها البنيوية والوظيفية تشير إلى احتمال وجود أصل تطوري مشترك، ضمن عائلات فائقة. على سبيل المثال، يشكل الأكتين ، ونطاق ATPase لبروتين الصدمة الحرارية ، والهيكسوكيناز عائلة فائقة.
  • الطي (التشابه البنيوي الرئيسي): تُعرَّف البروتينات بأنها ذات طي مشترك إذا كانت تمتلك نفس البنى الثانوية الرئيسية بنفس الترتيب وبنفس الروابط الطوبولوجية. غالبًا ما تحتوي البروتينات المختلفة ذات الطي نفسه على عناصر طرفية من البنية الثانوية ومناطق انعطاف تختلف في الحجم والشكل. في بعض الحالات، قد تشكل هذه المناطق الطرفية المختلفة نصف البنية. قد لا يكون للبروتينات المصنفة معًا في نفس فئة الطي أصل تطوري مشترك: فقد تنشأ أوجه التشابه البنيوية ببساطة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبروتينات التي تُفضل ترتيبات تعبئة معينة وطوبولوجيات سلسلة محددة.

طريقة

يتكون النموذج العام لربط البروتينات من الخطوات الأربع التالية:

  1. إنشاء قاعدة بيانات لقوالب البنية : يتم اختيار هياكل البروتينات من قواعد بيانات هياكل البروتينات كقوالب هيكلية. يتضمن ذلك عادةً اختيار هياكل البروتينات من قواعد بيانات مثل بنك بيانات البروتينات (PDB)، وقاعدة بيانات عائلات البروتينات المتشابهة هيكليًا (FSSP)، وقاعدة بيانات التصنيف الهيكلي للبروتينات (SCOP)، أو قاعدة بيانات CATH ، وذلك بعد إزالة هياكل البروتينات ذات التشابه العالي في التسلسل.
  2. تصميم دالة التقييم: صمم دالة تقييم جيدة لقياس مدى ملاءمة التسلسلات المستهدفة والقوالب، استنادًا إلى معرفة العلاقات المعروفة بين البنى والتسلسلات. يجب أن تتضمن دالة التقييم الجيدة إمكانية الطفرات، وإمكانية ملاءمة البيئة، وإمكانية التوافق الثنائي، وتوافقات البنية الثانوية، وعقوبات الفجوات. ترتبط جودة دالة الطاقة ارتباطًا وثيقًا بدقة التنبؤ، وخاصة دقة المحاذاة.
  3. محاذاة التسلسل: تتم محاذاة التسلسل المستهدف مع كل قالب من قوالب البنية من خلال تحسين دالة التقييم المصممة. تُعد هذه الخطوة إحدى المهام الرئيسية لجميع برامج التنبؤ بالبنية القائمة على التسلسل والتي تأخذ في الاعتبار إمكانية التلامس الثنائي؛ وإلا، يمكن لخوارزمية البرمجة الديناميكية إنجازها.
  4. التنبؤ بالترابط: اختر محاذاة الترابط الأكثر احتمالاً إحصائياً كتنبؤ بالترابط. ثم أنشئ نموذجًا هيكليًا للهدف عن طريق وضع ذرات العمود الفقري لتسلسل الهدف في مواقعها المحاذية للعمود الفقري في القالب الهيكلي المحدد.

مقارنة مع نمذجة التماثل

يُعدّ كلٌّ من نمذجة التماثل وربط البروتينات طريقتين تعتمدان على القوالب، ولا يوجد فاصل دقيق بينهما من حيث تقنيات التنبؤ. إلا أن بنية البروتينات المستهدفة تختلف. تُستخدم نمذجة التماثل للأهداف التي لها بروتينات متماثلة ذات بنية معروفة (عادةً/ربما من نفس العائلة)، بينما يُستخدم ربط البروتينات للأهداف التي وُجد فيها تماثل على مستوى الطي فقط. بعبارة أخرى، تُستخدم نمذجة التماثل للأهداف "الأسهل"، بينما يُستخدم ربط البروتينات للأهداف "الأصعب".

تُعامل نمذجة التماثل القالب في المحاذاة كسلسلة، ويُستخدم تماثل السلسلة فقط للتنبؤ. أما ربط البروتين، فيُعامل القالب في المحاذاة كبنية، وتُستخدم معلومات التسلسل والبنية المستخرجة من المحاذاة للتنبؤ. عندما لا يُعثر على تماثل ذي دلالة، يُمكن لربط البروتين التنبؤ بناءً على معلومات البنية. وهذا يُفسر أيضًا سبب كون ربط البروتين أكثر فعالية من نمذجة التماثل في كثير من الحالات.

عمليًا، عندما تكون نسبة تطابق التسلسل في محاذاة التسلسلات منخفضة (أي أقل من 25%)، قد لا يُنتج نمذجة التماثل تنبؤًا ذا دلالة. في هذه الحالة، إذا وُجد تماثل بعيد للهدف، فإن ربط البروتين يمكن أن يُنتج تنبؤًا جيدًا.

المزيد حول عملية تركيب الخيوط

يمكن تقسيم طرق التعرف على الطيات البروتينية إلى نوعين رئيسيين: الأول يعتمد على استخلاص ملف تعريف أحادي البعد لكل بنية في مكتبة الطيات ومحاذاة التسلسل المستهدف مع هذه الملفات؛ والثاني يعتمد على البنية ثلاثية الأبعاد الكاملة للبروتين. مثال بسيط على تمثيل ملف التعريف هو تصنيف كل حمض أميني في البنية وفقًا لموقعه، سواء كان مدفونًا في لب البروتين أو ظاهرًا على سطحه. قد تأخذ ملفات التعريف الأكثر تفصيلًا في الحسبان البنية الثانوية المحلية (مثل ما إذا كان الحمض الأميني جزءًا من حلزون ألفا ) أو حتى المعلومات التطورية (مدى حفظ الحمض الأميني). في التمثيل ثلاثي الأبعاد، تُنمذج البنية كمجموعة من المسافات بين الذرات، أي تُحسب المسافات بين بعض أو كل أزواج الذرات في البنية. هذا وصف أكثر ثراءً ومرونة للبنية، ولكنه أصعب استخدامًا في حساب المحاذاة. وُصِفَ نهج التعرف على الطي القائم على الملف الشخصي لأول مرة من قِبَل بوي ولوثي وديفيد أيزنبرغ عام 1991. [ 1 ] وصاغ ديفيد جونز وويليام ر. تايلور وجانيت ثورنتون مصطلح "الربط" لأول مرة عام 1992، [ 2 ] وكان يشير في الأصل تحديدًا إلى استخدام تمثيل ذري ثلاثي الأبعاد كامل لبنية البروتين في التعرف على الطي. واليوم، يُستخدم مصطلحا "الربط" و"التعرف على الطي" بشكل متبادل (وإن كان ذلك غير دقيق إلى حد ما).

تُستخدم طرق التعرف على طيات البروتينات على نطاق واسع وتُعدّ فعّالة، إذ يُعتقد أن عدد طيات البروتينات المختلفة في الطبيعة محدود للغاية، ويعود ذلك في الغالب إلى التطور، بالإضافة إلى القيود التي تفرضها الفيزياء والكيمياء الأساسية لسلاسل الببتيدات. ولذلك، توجد فرصة جيدة (تتراوح حاليًا بين 70 و80%) لوجود بروتين ذي طية مشابهة للبروتين المستهدف، سبق دراسته باستخدام تقنية حيود الأشعة السينية أو مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، ويمكن العثور عليه في بنك بيانات البروتينات (PDB). يوجد حاليًا ما يقارب 1300 طية بروتينية مختلفة معروفة، ولكن لا تزال تُكتشف طيات جديدة كل عام، ويعود ذلك بشكل كبير إلى مشاريع علم الجينوم البنيوي الجارية .

طُرحت العديد من الخوارزميات المختلفة لإيجاد الربط الصحيح لتسلسل على بنية، مع أن الكثير منها يستخدم البرمجة الديناميكية بشكل أو بآخر. بالنسبة للربط ثلاثي الأبعاد الكامل، تُعدّ مشكلة تحديد أفضل محاذاة بالغة الصعوبة (فهي مشكلة صعبة الحل من نوع NP-hard في بعض نماذج الربط). وقد استخدم الباحثون العديد من أساليب التحسين التوافقي، مثل الحقول العشوائية الشرطية ، والتقسية المحاكاة ، والتفرع والتقييد ، والبرمجة الخطية ، بحثًا عن حلول استدلالية. ومن المثير للاهتمام مقارنة أساليب الربط بالأساليب التي تحاول محاذاة بنيتين بروتينيتين ( محاذاة البنية البروتينية )، وبالفعل طُبّقت العديد من الخوارزميات نفسها على كلتا المشكلتين.

برنامج ربط البروتينات

  • HHpred هو خادم ترابط شائع يقوم بتشغيل HHsearch ، وهو برنامج يستخدم على نطاق واسع للكشف عن التشابه عن بعد بناءً على المقارنة الزوجية لنماذج ماركوف المخفية .
  • برنامج RAPTOR هو برنامج لربط البروتينات يعتمد على البرمجة العددية. وقد تم استبداله ببرنامج RaptorX الجديد ، الذي يستخدم نماذج رسومية احتمالية واستدلالًا إحصائيًا لربط البروتينات باستخدام قالب واحد أو عدة قوالب. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] يتفوق RaptorX بشكل ملحوظ على RAPTOR، وهو بارع بشكل خاص في محاذاة البروتينات ذات التسلسل المحدود. خادم RaptorX متاح مجانًا للجميع.
  • Phyre هو خادم ترابط شائع يجمع بين HHsearch و ab initio ونمذجة القوالب المتعددة.
  • MUSTER هي خوارزمية قياسية للربط تعتمد على البرمجة الديناميكية ومحاذاة ملفات تعريف التسلسل. كما أنها تجمع بين موارد هيكلية متعددة للمساعدة في محاذاة ملفات تعريف التسلسل. [ 7 ]
  • SPARKS X عبارة عن مطابقة تسلسلية إلى بنية قائمة على الاحتمالات بين الخصائص البنيوية أحادية البعد المتوقعة للاستعلام والخصائص الأصلية المقابلة للقوالب. [ 8 ]
  • BioShell هي خوارزمية ترابط تستخدم خوارزمية برمجة ديناميكية محسّنة من ملف تعريف إلى ملف تعريف، بالإضافة إلى بنية ثانوية متوقعة. [ 9 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بوي، جيه يو، لوثي، آر، آيزنبرغ، دي (1991). "طريقة لتحديد تسلسلات البروتين التي تتخذ بنية ثلاثية الأبعاد معروفة". مجلة ساينس . 253 (5016): 164-170 . Bibcode : 1991Sci...253..164B . doi : 10.1126/science.1853201 . PMID 1853201 . 
  2. ↑ جونز دي تي، تايلور دبليو آر، ثورنتون جيه إم (1992) . "نهج جديد للتعرف على طي البروتين". نيتشر . 358 (6381): 86-89 . Bibcode : 1992Natur.358...86J . doi : 10.1038/358086a0 . PMID 1614539. S2CID 4266346 .  
  3. ↑ بينغ، جيان؛ جينبو شو (2011). "RaptorX: استغلال معلومات البنية لمحاذاة البروتينات عن طريق الاستدلال الإحصائي" . البروتينات . 79 ملحق 10 (ملحق 10): 161-171 . doi : 10.1002/prot.23175 . PMC 3226909. PMID 21987485 .  
  4. ↑ بينغ، جيان؛ جينبو شو (2010). "ربط البروتينات ذات التشابه المنخفض" . المعلوماتية الحيوية . 26 (12): i294– i300. doi : 10.1093/bioinformatics/btq192 . PMC 2881377. PMID 20529920 .  
  5. ↑ بينغ، جيان؛ جينبو شو (أبريل 2011). " نهج متعدد القوالب لربط البروتينات" . البروتينات . 79 (6): 1930-1939 . doi : 10.1002/prot.23016 . PMC 3092796. PMID 21465564 .  
  6. ↑ ما، جيانزو؛ شينغ وانغ؛ جينبو شو (يونيو 2012). " نموذج الحقول العصبية الشرطية لربط البروتينات" . المعلوماتية الحيوية . 28 (12): i59–66. doi : 10.1093/bioinformatics/bts213 . PMC 3371845. PMID 22689779 .  
  7. ↑ وو إس، تشانغ واي (2008). " MUSTER: تحسين محاذاة ملفات تعريف تسلسل البروتين باستخدام مصادر متعددة لمعلومات البنية" . البروتينات . 72 (2): 547-556 . doi : 10.1002/prot.21945 . PMC 2666101. PMID 18247410 .  
  8. ↑ يانغ واي، فاراجي إي، تشاو إتش، تشو واي (2011). "تحسين التعرف على طي البروتين والنمذجة القائمة على القوالب من خلال توظيف المطابقة الاحتمالية بين الخصائص الهيكلية أحادية البعد المتوقعة للبروتين المستهدف والخصائص الأصلية المقابلة للقوالب" . المعلوماتية الحيوية . 27 (15): 2076-2082 . doi : 10.1093/bioinformatics/btr350 . PMC 3137224. PMID 21666270 .  
  9. ↑ غرونت د، بلاشيك م، فويتشوفسكي ب، كولينسكي أ (2012). "BioShell Threader: الكشف عن تشابه البروتينات بناءً على ملفات تعريف التسلسل وملفات تعريف البنية الثانوية" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 40 (W1): W257– W262. doi : 10.1093/nar/gks555 . PMC 3394251. PMID 22693216 .  

للمزيد من القراءة

  • فينكلشتاين، أ. ف.؛ ريفا، ب. أ. (يونيو 1991). "بحث عن أكثر طيات سلاسل البروتين استقرارًا". مجلة نيتشر . 351 (6326): 497-499 . رمز Bibcode : 1991Natur.351..497F . doi : 10.1038/351497a0 . PMID: 2046752. S2CID : 4319142 .  
  • لاثروب، ر. هـ. (1994). "مشكلة ربط البروتينات مع تفضيلات تفاعل الأحماض الأمينية المتسلسلة هي مسألة NP-كاملة". هندسة البروتين . 7 (9): 1059-1068 . CiteSeerX 10.1.1.367.9081 . doi : 10.1093/protein/7.9.1059 . PMID 7831276 .  
  • جونز دي تي، هادلي سي (2000). "أساليب الربط للتنبؤ ببنية البروتين". في هيغينز دي، تايلور دبليو آر (محرران). المعلوماتية الحيوية: التسلسل، البنية، وقواعد البيانات . هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ. ص 1-13 . 
  • شو جيه، لي إم، كيم دي، شو واي (2003). "رابتر: الربط الأمثل للبروتينات باستخدام البرمجة الخطية، العدد الافتتاحي". مجلة المعلوماتية الحيوية وعلم الأحياء الحاسوبي . 1 (1): 95-117 . CiteSeerX 10.1.1.5.4844 . doi : 10.1142/S0219720003000186 . PMID 15290783 .  
  • شو جيه، لي إم، لين جي، كيم دي، شو واي (2003). "ربط البروتينات بالبرمجة الخطية". ندوة المحيط الهادئ للحوسبة الحيوية : 264-275 . PMID 12603034 .