HSSP e entropia relativa. Módulos do SMS para análise de conservação. Discussão e trabalhos futuros.bitstream/CNPTIA/9896/1/comuntec37.pdfAcesso em: 30 maio 2008

BAUDET, C.

FALCÃO, P. K.

HIGA, R. H.

MANCINI, A. L.

NESHICH, G.

Portuguese

HSSP e entropia relativa. Módulos do SMS para análise de conservação. Discussão e trabalhos futuros.Acesso em: 30 maio 2008

Infoteca-e

Análise do Grau deConservação de Resíduosem Proteínas comEstrutura 3D ResolvidaUtilizando o SMSRoberto Hiroshi Higa1Christian Baudet2Adauto Luiz Mancini3Paula Kuser Falcão4Goran Neshich5ComunicadoTécnico Dezembro, 2002Campinas, SP37Ministério da Agricultura,Pecuária e AbastecimentoISSN 1677-8464As proteínas são macromoléculas presentes em todoorganismo vivo, sendo de importância fundamentalpara a realização de praticamente todas as suasfunções. Ela determina a forma e a estrutura da célulae serve como instrumento para o reconhecimentomolecular e de catálise (Alberts et al., 1994).No curso da evolução, quando uma proteína com umacaracterística de superfície útil surge, sua estruturabásica é incorporada em muitas outras proteínas. Porisso, muitas proteínas encontradas nos organismosatuais possuem funções distintas, mas relacionadas,apresentando uma série de aminoácidos similares ouconservados quando alinhadas (Alberts et al., 1994).Dessa forma, quando uma nova proteína éseqüenciada, é prática comum, atualmente, procurarpor seqüências similares utilizando-se ferramentas debusca como Blast (Altschul et al., 1990, 1997), cujafunção é encontrar seqüências similares em bancos dedados de seqüências. O objetivo é encontrar outrasproteínas, cuja função já tenha sido determinada, e quepossam fornecer algum subsídio sobre a função danova proteína. Outra abordagem para análise da funçãode uma proteína, quando ela possui estruturatridimensional resolvida, é o estudo de sua estrutura,procurando as partes que possam fornecer pistas sobrecomo ela realiza a sua função. Por exemplo,aminoácidos conservados durante a evolução podemindicar que ali existe um sítio de ligação — binding site(o lugar na superfície da proteína onde outras moléculas— proteínas, DNAs ou outras moléculas - com as quaisela interage se ligam) ou um sítio ativo — active site (olugar na superfície proteína onde acontece a funçãopropriamente dita, por exemplo uma reação químicaem que a proteína atua como enzima).O Sting Millennium Suite (SMS) (StructuralBioinformatics Group, 2002) – possui duas ferramentasque auxiliam a análise do grau de conservação deresíduos para proteínas com estrutura depositada noProtein Data Bank (PDB) (Berman et al., 2000), ou seja,que tiveram sua estrutura tridimensional resolvida.Uma delas é o ConSensus Sequence (ConSSeq), cujafunção é, exatamente, apresentar dados para análisedo grau de conservação de aminoácidos em umaproteína. A outra é o Protein Dossier, que apresenta1 M.Sc. em Engenharia Elétrica, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo - 13083-970 -Campinas, SP. (e-mail:  roberto@cnptia.embrapa.br)2 Estudante de Engenharia da Computação, Estagiário da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo -13083-970 - Campinas, SP. (e-mail: christian@cnptia.embrapa.br)3 Bacharel em Ciência da Computação, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo -13083-970 - Campinas, SP. (e-mail:  adauto@cnptia.embrapa.br)4 Ph.D. em Física Aplicada, Cristalografia de Proteínas, Pesquisadora da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041,Barão Geraldo - 13083-970 - Campinas, SP. (e-mail:  paula@cnptia.embrapa.br)5 Ph.D. em Biofísica, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo - 13083-970 - Campinas,SP. (e-mail: neshich@cnptia.embrapa.br)Análise do Grau de Conservação de Resíduos em Proteínas com Estrutura 3D Resolvida Utilizando o SMS2uma figura descrevendo um conjunto de parâmetrosfísico-químicos da proteína, incluindo uma medida degrau de conservação de aminoácidos como um de seusparâmetros.Este trabalho apresenta como as ferramentas ConSSeqe Protein Dossier do SMS são utilizadas para análisedo grau de conservação de aminoácidos em proteínascom estrutura tridimensional resolvida6.A seguir, apresenta-se o Homology Derived SecondaryStructure of Proteins (HSSP), que é a base de dadosutilizada pelo SMS para avaliação do grau deconservação de aminoácidos e o conceito de EntropiaRelativa, que é a medida de conservação utilizada peloHSSP. Na seqüência, ilustra-se como utilizar o ConSSeqe o Protein Dossier para análise de conservação,finalizando-se com uma discussão sobre asperspectivas de trabalhos futuros relacionados à análisede conservação de aminoácidos e as ferramentas doSMS.HSSP e Entropia RelativaO HSSP é um banco de dados, cujo objetivo é expandiro universo de proteínas com informações sobre suaestrutura, através da utilização do conceito dehomologia entre seqüências (Sander & Schneider, 1991;Schneider et al., 1997).Inicialmente, Sander & Schneider (1991) avaliaram umconjunto de proteínas com estrutura tridimensionalresolvida e formularam uma relação entre o grau desimilaridade seqüencial, o grau de similaridadeestrutural e o comprimento de um alinhamento. Emseguida, eles estabeleceram que uma homologiaestrutural seria válida se a similaridade seqüencial entreas duas seqüências fosse superior a um limiar quedependia do comprimento do alinhamento. Este limiaré representado pela seguinte fórmula (Sander &Schneider, 1991):t(L) = 290.15L-0.562onde:L indica o comprimento do alinhamento et(L) indica o grau de identidade7 mínimo que implicaem homologia estrutural.Os dados do HSSP são criados a partir doestabelecimento da relação de homologia estruturalentre proteínas com estrutura tridimensional resolvida– banco de dados PDB (Berman et al., 2000) - e proteínascom seqüências conhecidas – banco de dados Swiss-Prot (Bairoch & Apweiler, 2000). A Fig. 1 ilustra esseprocesso.Para cada seqüência no banco de dados PDB é realizadauma busca, utilizando-se Blast, por seqüênciassimilares no banco de dados Swiss-Prot. As seqüências6 Proteínas com estrutura resolvida experimentalmente pordifração de raios-X ou ressonância magnética nuclear, e comdados depositados no Protein Data Bank (PDB).7 Em um alinhamento entre duas seqüências, o grau de identi-dade significa o número de posições no alinhamento em queas duas seqüências possuem o mesmo tipo de aminoácido.Fig. 1. Geração do banco de dados HSSP.encontradas são filtradas, de acordo com o limiardefinido para estabelecimento da homologia estruturale, em seguida um alinhamento múltiplo é produzidode forma incremental, utilizando-se uma versãomodificada do algoritmo de Smith-Waterman paraalinhamento local entre duas seqüências (Setubal &Meidanis, 1997). Finalmente, parâmetros como entropiarelativa e outros calculados pelo DSSP – Definition ofSecondary Structure of Proteins (Kabsch & Sander,1983) são acrescentados e armazenados no formatopadrão do HSSP.Em geral, existe um arquivo HSSP correspondente acada arquivo PDB8. Cada arquivo HSSP contém(Schneider et al., 1997):• a seqüência primária da proteína de estruturaconhecida com a indicação de estrutura secun-dária e área acessível por solvente calculadospelo DSSP (Kabsch & Sander, 1983);• seqüências oriundas do Swiss-Prot consideradashomólogos estruturais da seqüência com estru-turas conhecidas alinhadas;• a variabilidade para cada posição do alinhamen-to segundo medidas diferentes, uma delas aentropia relativa; e• o número de seqüências que geraram a posiçãoou ocupância.A medida de entropia relativa, utilizada pelo SMS comomedida de grau de conservação, é definida como:8 Para arquivos PDB que contenham dados apenas sobre DNA,não existe o arquivo HSSP correspondente.Análise do Grau de Conservação de Resíduos em Proteínas com Estrutura 3D Resolvida Utilizando o SMS 320ln)()(iSirelent =onde:∑= 20 ln)(RRiRi ffiSfRi é a freqüência de ocorrência do tipo de resíduo R9 naposição i do alinhamento.Módulos do SMS para Análise deConservaçãoO Protein Dossier é um módulo do SMS, cujafuncionalidade é produzir e apresentar uma figura, ondeuma série de parâmetros físico-químicos utilizados paraanálise da estrutura tridimensional da proteína e suarelação com a função são sumarizadas (Fig. 2).Um dos parâmetros apresentados é a entropia relativa––Relative Entropy, apresentada em tons de vermelho.Tons de vermelho mais forte indicam posições ondediversas mutações ocorreram durante a evoluçãoenquanto tons de vermelho mais fraco indicam variaçãopequena. No caso extremo, preto significa que aposição é completamente conservada.Para analisar com mais detalhes o grau de conservaçãodos aminoácidos da proteína em estudo, utilizando oSMS, a ferramenta indicada é o ConSSeq.O ConSSeq apresenta ao mesmo tempo, além daentropia relativa, a seqüência de consenso10 e um Logoque representa a proporção com que cada tipo deaminoácido ocorre em uma faixa de 10 posições. Aferramenta permite que um Logo seja elaborado paracada posição da seqüência bastando, para isto, utilizara barra de rolagem para posicionar o mouse na posiçãodesejada da seqüência. Apertando o botão esquerdodo mouse, o logo é elaborado para um intervalo dedez resíduos com o resíduo selecionado na posiçãocentral da figura.A Fig. 3 ilustra a apresentação visual do ConSSeq paraa cadeia “E” do arquivo com PDB ID igual a “1cho”,uma proteína da família chymotrypsin retirada de tecidode pâncreas bovino. Na parte superior é apresentado,para cada posição da seqüência da proteína em estudo,um gráfico de barras que indica o valor da entropiarelativa, a seqüência propriamente dita, e a seqüênciade consenso. A cor vermelha indica alta entropiarelativa enquanto a azul indica entropia relativa baixa.Fig. 3. Apresentação de informações sobre conservação pelo ConSSeq.9 Cada um dos 20 tipos de aminoácios podem ser associadosaos números inteiros 1 a 20. Assim, pode-se utilizar R=1 paraAlanina, R=2 para Valina, etc.10 Considerando um conjunto de seqüências alinhadas, a se-qüência de consenso é formada atribuindo-se a cada posi-ção o resíduo mais freqüente no alinhamento.Fig. 2. Apresentação da entropia relativa no Protein Dossier.Análise do Grau de Conservação de Resíduos em Proteínas com Estrutura 3D Resolvida Utilizando o SMS4Na parte inferior, é possível verificar, para uma posiçãoespecífica e na sua vizinhança, qual a freqüência deocorrência de cada tipo de aminoácido, ou seja, de queforma a natureza está trocando o tipo de aminoácidonaquela posição. À esquerda, é apresentado umhistograma que indica a freqüência de ocorrência decada tipo de aminoácido na posição especificada e àdireita, considerando um intervalo de 10 posições,centrado na posição especificada, é apresentado umLogo11 que indica a freqüência de ocorrência de cadatipo de aminoácido em cada uma das posições.Discussão e Trabalhos FuturosOs aminoácidos de uma proteína, conservados durantea evolução, podem revelar informações importantessobre a sua função como a localização de sítios deligação e sítios ativos. Por isso, a importância da análisedestes parâmetros para compreensão da função daproteína e de sua relação com a estrutura.O SMS permite que o grau de conservação deaminoácidos seja analisado através de duasferramentas: o Protein Dossier que inclui a entropiarelativa entre os parâmetros apresentados em formatode figura e o ConSSeq que além da entropia relativa,também apresenta a seqüência de consenso paracomparação com a seqüência original e como cadaposição da seqüência original está variando.Entretanto, tanto o Protein Dossier quanto o ConSSeqbaseiam-se na utilização de dados do HSSP paraapresentação do grau de conservação de aminoácidose o HSSP, por sua vez, apresenta as seguinteslimitações:• sua freqüência de atualização é menor que aatualização do PDB, que é semanal, tal que, paraas estruturas mais novas depositadas no PDB,as entradas no HSSP são criadas edisponibilizadas com algum atraso;• não é possível obter os dados do HSSP paraestruturas não depositadas no PDB, o queinviabil iza a aná l ise de conservação deaminoácidos para estruturas modeladas; e• não há como adaptar o procedimento do HSSPpara utilizar um alinhamento diferente (ex.: umafamília protéica), que muitas vezes é mais inte-ressante que o alinhamento fornecido pelo HSSP.Para superar as limitações apresentadas acima,pretende-se construir um procedimento similar aoutilizado pelo HSSP, mas capaz de:11 O logo é composto pelo código de uma letra paraaminoácidos e deve ser interpretado da seguinte forma: quan-to mais freqüente o aminoácido na posição determinada,maior o tamanho da letra correspondente ao seu código nologo.• produzir um banco de dados com as mesmascaracterísticas do HSSP; e• utilizar um alinhamento diferente para medir ograu de conservação, viabilizando a verificaçãodo grau de conservação para estruturas não de-positadas no PDB.Assim, espera-se que o SMS possa oferecer ao usuárioum conjunto de ferramentas mais flexível e interessanteno que tange à análise de conservação de aminoácidospara proteínas.Referências BibliográficasALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.;ROBERTS, K.; WALTER, P. 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André Tosello, 209Cidade Universitária - “Zeferino Vaz”Barão Geraldo - Caixa Postal 604113083-970 - Campinas, SPTelefone (19) 3789-5743 - Fax (19) 3289-9594e-mail: sac@cnptia.embrapa.br1a edição2002 - on-lineTodos os direitos reservadosPresidente: José Ruy Porto de CarvalhoMembros efetivos: Amarindo Fausto Soares, Ivanilde Dispato,Luciana Alvim Santos Romani, Marcia Izabel Fugisawa Souza,Suzilei Almeida CarneiroSuplentes: Adriana Delfino dos Santos, Fábio Cesar da Silva,João Francisco Gonçalves Antunes, Maria Angélica de AndradeLeite, Moacir Pedroso JúniorSupervisor editorial: Ivanilde DispatoNormalização bibliográfica: Marcia Izabel Fugisawa SouzaCapa: Intermídia Publicações CientíficasEditoração Eletrônica: Intermídia Publicações CientíficasComitê dePublicacõesExpediente

Análise do grau de conservação de resíduos em proteínas com estrutura 3D resolvida utilizando o SMS.

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