Kun Ádám
A genom alapú anyagcsere rekonstrukciók Avagy mire is lehet jó a bioinformatika (például)
Integratív biológia 2016, 11. előadás
Bioinformatika Szűken értelmezve a biológiai adatok tárolásával, szervezésével és analízisével foglalkozó interdiszciplináris tudományág. Alapvetően szekvencia információval dolgozik Inkább informatika és matematika, mint biológia (de nagyon hasznos nekünk biológusoknak is!)
Biológiai adatok A biológia fiatal tudomány, még az adatgyűjtés időszakában van Nagyon sok az adat, és nem egyszerű bennük rendet teremteni. Viszont az adatok ingyen hozzáférhetőek!
Teljes genom szekvenciák
Az első teljsen megszekvenált, szabadon élő élőlény a Haemophilus influenzae volt 1995-ben. Az első teljesen megszekvenált eukarióta 1996-ban a Saccharomyces cerevisiae (sütőélesztő) volt. Az első megszekvenált többsejtű eukarióta pedig, Caenorhabditis elegans volt 1998-ban. Az első teljesen megszekvenált emberi genom 2006-ban lett elérhető
Teljes genom szekvenciák Archea: 228 teljesen kész és publikált Bacteria: 4166 teljesen kész és publikált Eukarióta: 154 teljesen kész és publikált Virus: 3477 teljesen kész és publikált
https://gold.jgi.doe.gov/index
Genom projektek Archea: 1164 Bacteria: 50372 Eukarióta: 14152 Vírus: 4526
1164 4526 14159 Archaea Bacteria 50372
https://gold.jgi.doe.gov/index/
Eukarya Virus
Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)
http://www.genome.jp/kegg/kegg2.html
KEGG: citromsav ciklus
KEGG: Almasav Név variációk Szerkezet Mely utakban és reakciókban vesz részt
Malát hidroliáz
metaCyc metacyc.org Anyagcsere utakra – szerintem – a legjobb adatbázis. „Kézzel” javítják – s itt el is értünk az egyik problémához a bioinformatikában
metaCyc: Almasav
metaCyc: fumarát hidratáz
Reakcióhálózatok elemzése I. Az anyagokat (csomópont) a reakciók kötik össze Meglepő ez az eredmény? Nem.
Reakcióhálózatok elemzése II Milyen hatása van az oxigénnek a reakcióhálózatra? Induljunk ki egyszerű molekulából és nézzük meg mi „érthető” el ezekből. Mennyivel érhető el több molekula / útvonal, ha van oxigén is?
Hálózat kiterjesztés Legyen egy reakcióhálózatunk: A + B -> C B <=> D A -> E E + B <=> F
Hány molekula érhető el, ha kiindulunk {A}-ból? {B}-ből? {A,B}-ből?
Oxigén hatása a reakcióhálózaton
Oxigén hatása a reakcióhálózaton
A GENOM ALAPÚ ANYAGCSERE REKONSTRUKCIÓK
Genom szekvenciék és anyagcsere modellek
A szekvenálásban sokkal előrébb járunk
Annotációs problémák
Az annotációkat nem frissítik az új adatok tükrében (pl. Synechocystis slr0788 gént pre-B sejt serkentő
faktorként annotálnak hasonlóság alapján, pedig nikotinamid foszforiboziltranszferáz a gén
)
Rossz annotáció Hiányos funkcionalitás (egyes enzimek működését
ismerjük, de szekvenciájukat nem, így nem is szerepelhetnek az
) Transzport specifikusság (nagyon fajspecifikus, így gyakran nem tudják mit transzportál egy fehérje) automata annotációkban
Reakció problémák Gén-fehérje-reakció összetartozás Reakció specificitás (melyek is a reaktánsok?) Reakció megmaradási törvényeknek eleget tegyen (jobb és baloldalt ugyan annyi C, P, O, N, H, stb. legyen) Reakció irány (ne termeljünk ATP-t a nagy semmiből) Protonációs állapot Koenzim elérhetőség Élőlény specifikus anyagcsere utak
In silico organismusok
Fluxus egyensúly analízis
Mekkora „anyagátfolyás” van az egyes reakciókon, ismerve a bemeneteket és a kimeneteket?
METABOLIKUS REKONSTRUKCIÓK ALKALMAZÁSA
Minimális genomhoz Élesztő (S. cerevisiae) génjeinek 80%-a kilőhető (egyet kilőve) Mi az oka ennek a nagy mértékű „feleslegességnek” Hálózatból kilőve a géneket meg lehet nézni, hogy mennyire és miért változik a fluxus
Minimális genomhoz Az esetek 36-68%-ban környezetfüggő ez a feleslegesség 15-28%-ban duplikáció kompenzál 4-17%-t más út pufferel
Papp et al. 2004 Metabolic network analysis of the causes and evolution of enzyme dispensability in yeast. Nature 429:661-664
Minimális genomhoz Induljunk ki egy E. coli hálózatból. Kezdjük véletlenszerűen kilőni a géneket, s nézzük meddig jutunk (mikor nem tudunk már többet kilőni) Az így kapott minimális hálózatok génhalmaza 77%-ban átfed. Tehát a génkilövés sorrendjétől függ a végállapot
Minimális genomhoz
A 931 reakcióból 245±6,48 marad meg Szinbionta genomok evolúcióját is lehet szimulálni (ismerve, hogy mit kaphat a gazdától és mit kell neki adnia)
Eritromicin előállítás Saccharopolyspora erythraea antibiotikumot állít elő Hogyan lehetne az előállítást hatékonyabbá tenni? Megnézték, hogy a csak glükózt (szénforrás) tartalmazó médiumba milyen aminosavat kéne rakni, hogy növekedjen az eritromicin termelés
Eritromicin előállítás Val, Thr, Ile, Pro, Lys növelte az antibiotikum termelést (elméletileg) Ez kísérletesen is kimutatható volt (Lys-re nem, de Ser is jó lenne)
Az Élet Szikrája az anyagcsere autokatalitikus magja
Mitől több – ha több - az élő sejt egy zsák enzimnél és némi DNS-nél? Mitől lesz élő egy sejt?
Gánti kemoton elmélete
Egy zsák enzim és DNS
Legyen egy sejtünk, amiben csak enzimek és DNS (RNS) van. A környezetben minden tápanyag jelen van, amit az élőlény fel tud venni (optimális mennyiségben)
Enzimek
Nincsen kis molekulasúlyú metabolit! DNS/RNS
H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3-, HPO42-, SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok
Egy zsák enzim és DNS
Működőképes-e ez a sejt? Kell-e valaminek eleve a sejtben lennie, hogy a metabolizmus beinduljon?
Enzimek
??? DNS/RNS
H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3-, HPO42-, SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok
Elméleti kísérlet!
Legyen egy reakcióhálózatunk Adjuk meg a felvehető anyagok listáját Mi termelhető meg a reakciólista alapján?
Ha minden megtermelhető, akkor az élő sejt nem több egy zsák enzimnél. 2. Ha nem termelhető meg minden, akkor mi kell még? 1.
Reakcióhálózatok
Eubacteria ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
Acinetobacter baylyi Escherichia coli Heliobacter pylori Staphylococcus aureus Lactococcus lactis Streptomyces coelicolor Geobacter sulfurreducens Synechocystis Lactobacillus plantarum Geobacter metallireducens Porphyromonas gingivalis Salmonella typhimurium Shewanella oneidensis Vibrio vulnificus Yersinia pestis Burkholderia cenocepacia Mannheimia succiniciproducens Mycoplasma genitalium Neisseria meningitidis Pseudomonas aeruginosa Rhizobium etli Rhodoferax ferrireducens
Archea
◦ Methanosarcina barkeri
◦ Methanosarcina acetivorans ◦ Natronomonas pharaonis ◦ Halobacterium salinarum
Eukarióta ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
Saccharomyces cerevisiae Chlamydomonas reinhardtii Homo sapiens Leishmania major Pichia pastoris Pichia stipitis Plasmodium falciparum
Minimális metabolizmus
Escherichia coli
Reakciók száma: 931 Metabolitok száma: 761 Megtermelhető metabolitok: 692 Külső molekulák: 53 Makromolekulák: 3 Külső molekulákból megtermelhető: 315 Hozzáadandó:
ATP
Autocatalytic synthesis of ATP
Heliobacter pylori Reakciók száma : 477 Metabolitok száma : 495 Megtermelhető metabolitok : 441 Külső molekulák: 74 Makromolekulák: 6 Külső molekulákból megtermelhető: 181 Hozzáadandó:
ATP
Staphylococcus aureus Reakciók száma : 1061 Metabolitok száma : 645 Producible metabolites: 543 Külső molekulák: 83 Makromolekulák: 14 Külső molekulákból megtermelhető: 194 Hozzáadandó :
ATP
Lactococcus lactis Number of reactions: 729 Metabolitok száma : 497 Megtermelhető metabolitok: 568 Külső molekulák: 94 Makromolekulák: 1 Külső molekulákból megtermelhető: 190 Hozzáadandó:
ATP
Streptomyces coelicolor Reakciók száma: 702 Metabolitok száma : 601 Megtermelhető metabolitok: 562 Külső molekulák: 104 Makromolekulák: 4 Külső molekulákból megtermelhető: 267 Hozzáadandó :
ATP
Saccharomyces cerevisiae Reakciók száma: 1150 Metabolitok száma: 1061 Megtermelhető metabolitok : 562 Külső molekulák: 104 Makromolekulák: 4 Külső molekulákból megtermelhető: 267 Hozzáadandó :
ATP
Methanosarcina barkeri Reakciók száma : 619 Metabolitok száma: 630 Megtermelhető metabolitok : 567 Külső molekulák: 70 Makromolekulák: 21 Külső molekulákból megtermelhető: 159 Hozzáadandó :
ATP + NAD
NAD autokatalitikus szintézise H+
nicotinic acid (external)
ATP + H+
PPi
nicotinate Dribonucleotide
nicotinic acid
ATP + NH4+ AMP + H+ + PPi
PPi
NAD+
deamino-NAD+
NADH
5-phospho-α-D-ribose 1-diphosphate orotidine
ATP
N-(5-phospho-Dribosyl)anthranilate
PPi AMP + H+
α-D-ribose 5-phosphate
1-(2-carboxyphenylamino)-1deoxy-D-ribulose 5-phosphate
3-Phospho-D-glyceroyl phosphate
D-fructose 1-phosphate
H
+
D-ribulose 5-phosphate
CO2 + H2O C'-(3-Indolyl)-glycerol 3phosphate
indole
D-glyceraldehyde
Pi
glyceraldehyde 3-phosphate
dihydroxyacetone phosphate
D-xylulose 5-phosphate D-fructose 6-phosphate
D-erythrose 4-phosphate
D-fructose 1,6-bisphosphate Pi
glycogen H+ + UDP
H2O
D-glucose 6-phosphate
D-glucose
D-mannose 6-phosphate H2O
ADP
AMP + H+
D-glucose 1-phosphate UDP-glucose
UDP-galactose
GDP + H+
D-mannose 1-phosphate
Pi
GDP-D-mannose
Geobacter sulfurreducens Reakciók száma : 527 Metabolitok száma : 544 Producible metabolites: 406 Külső molekulák: 41 Makromolekulák: 7 Külső molekulákból megtermelhető: 82 Hozzáadandó :
ATP + NAD + THF + CoA
NAD autokatalitikus szintézise
ATP + H+
L-aspartate
iminoaspartate NAD+
NADH + 2H+
quinolinate
Dihydroxyacetone 2 H2O + Pi phosphate
Nicotinate Dribonucleotide
PPi
ATP + NH4+ AMP + H+ + PPi
DeaminoNAD+
NAD+
2H+ + PRPP CO2 + PPi
NADH
CoA autokatalitikus szintézise N-((R)-4-Phosphopantothenoyl)L-cysteine
Pantetheine 4'-phosphate H+
CO2
Dephospho-CoA
ATP + H+
Coenzyme A ATP
PPi
ADP + H+
NAD + pyruvate
CO2 + NADH
L-Cysteine acetate + H+
D-4'-Phosphopantothenate
(R)-Pantothenate
Acetyl-CoA
O-Acetyl-L-serine CoA
H2S
L-serine
2-Dehydropantoate
(R)-Pantoate
THF ADP + H+
ATP
AMP + PPi + H+
β-alanine + ATP
2-Oxoglutarate + L-valine
NADP
NADPH + H+
3-Methyl-2-oxobutanoate L-Glutamate
H2O + 5,10-Methylene-THF
THF autokatalitikus szintézise 2-Amino-4-hydroxy-6hydroxymethyl-7,8dihydropteridine
7,8-Dihydrofolate
Dihydropteroate
4-Aminobenzoate
ATP + L-glutamate
H2O
NADP
ADP + Pi + H+
THF
Folate NADPH
2 NADPH + H+
2 NADP
AMP + H+
ATP
Dihydro-neo-pterin
Dihydropteroate glycolaldehide
Pi
GMP
XMP
AMP + PPi + L-glutamate L-glutamine + H2O NADH + H ADP + Pi + H+
ATP
formate
ADP
H2O + NAD
5-amino-1-(5-phosphoD-ribosyl)-imidazole-4carboxylate
L-glutamate+ ADP + Pi + H+
ATP
5-Phospho-α-D-ribose 1-diphosphate L-glutamine + H2O
THF
10-formyl-THF
THF
H2O + L-glutamine + ATP
5-Phospho-β-D-ribosylamine L-glutamate + PPi
AICAR
N2-Formyl-N1-(5-phosphoD-ribosyl)-glycinamide
2-(Formamido)-N1-(5-phospho-Dribosyl)-acetamidine
ADP + Pi + 2 H+
ATP
fumarate
ATP + L-aspartate ADP + Pi
5-amino-1-(5-phospho-D-ribosyl)imidazole
ADP
H2O
5-amino-1-(5-phosphoD-ribosyl)-imidazole-4carboxylate
ATP + H2O + CO2
H2O
5-Formamido-1-(5phospho-D-ribosyl)imidazole-4-carboxamide
Inosine-5’-phosphate +
5-phosphoribosyl-5carboxyaminoimidazole
H2O
GDP
GTP
Dihyrdo-neo-pterin-phosphate
glycine + ATP
N1-(5-Phospho-Dribosyl)-glycinamide ADP + Pi
10-formyl-THF
Synechocystis Reakciók száma: 917 Metabolitok száma : 879 Megtermelhető metabolitok : 637 Külső molekulák: 18 Makromolekulák: 34 Külső molekulákból megtermelhető: 64 Hozzáadandó :
ATP + NAD + THF + CoA + cukor
ATP és cukrok H2O
ATP
2 H+
α-D-ribose 5-phosphate
ADP-ribose
ADP
D-ribulose 5-phosphate
D-ribulose-1,5-biphosphate
D-xylulose 5-phosphate
AMP
Calvin – cycle ATP
sedoheptulose 7-phosphate
dihydroxyacetone phosphate
glyceraldehyde 3-phosphate ADP D-fructose 1,6-bisphosphate D-fructose 6-phosphate
H+
maltodextrin
D-glucose 6-phosphate
D-glucose 1-phosphate
Pi
glycogen ADP-glucose
Calvin ciklus
NAD autokatalitikus szintézise
ATP + H+
L-aspartate
iminoaspartate H2O
H2O2
L-glutamate 2-oxoglutarate
oxaloacetate
D-glutamate
Nicotinate Dribonucleotide
quinolinate
dihydroxyacetone 2 H2O + Pi phosphate
H2O
ATP + NH4+ AMP + H+ + PPi
Deamino-NAD+
NAD+
2H+ + PRPP CO2 + PPi
NADH
L-glutamine NH4+
PPi
NADP+ + H2O
2-oxoglutarate NADPH + H+ + NH4+
CoA autokatalitikus szintézise N-((R)-4-phosphopantothenoyl)-Lcysteine
pantetheine 4'-phosphate H+
CO2
dephospho-CoA
ATP + H+
D-4'-phosphopantothenate
Coenzyme A ATP
PPi
(R)-pantothenate
ADP + H+
(R)-pantoate NADP+
ADP + H+
ATP
β-alanine + ATP
AMP + PPi + H+
NADPH + H+
2-dehydropantoate
3-methyl-2-oxobutanoate
2-oxoglutarate + L-valine
L-Glutamate
5,10-Methylene-THF + H2O
THF
CO2 + NADH
acetyl-CoA
O-acetyl-L-serine
L-cysteine acetate + H+
CoA
H2S
NAD+ + pyruvate
L-serine
L-cystathionine H2O adenosine
H2O
Pi + PPi
ATP + H2O
L-serine
L-homocysteine
S-Adenosyl-Lhomocysteine
5-Methyl-THF
S-Adenosyl-Lmethionine
THF
L-methionine
Heterotrófikus növekedés
A Calvin ciklus nem autokatalitikus, mert fel lehet venni cukrokat
Mi van ezekkel a ciklusokkal (NAD, CoA, THF) más élőlényekben? Escherichia coli. Mind jelen van. Heliobacter pylori. Mind jelen van. Staphylococcus aureus. NAD szintézis nem teljes Saccharomyces cerevisiae. NAD szintézis nem teljes Lactococcus lactis. NAD szintézis nem teljes. CoA szintézis emlősben nem autokatalitikus (mert cisztein nem kell hozzá)
Minimális médium– E. coli (S)-2-[5-Amino-1-(5-phospho-Dribosyl)imidazole-4carboxamido]succinate ADP + Pi + H+ ATP + H+
ATP + 5- amino-1-(5- phospho-D- ribosyl)imidazole-4- carboxylate
L-aspartate H2 O
iminoaspartate H2 O2
L-glutamate oxaloacetate
NADPH + H+ + NH4 +
2-oxoglutarate
3-Phospho-D-glycerate ADP
NAD+ + Pi
NADH + H+
Phosphoenolpyruvate Pi + H+
H2 O
3-Phospho-Dglyceroyl phosphate
Glyceraldehyde3phosphate
NAD+
Deamino-NAD+
NADH
L-glutamine NH4 +
AMP + H+ + PPi
2H+ + PRPP CO2 + PPi
dihydroxyacetone 2 H2 O + Pi phosphate
NADP+ + H2 O
2- oxoglutarate
Nicotinate Dribonucleotide
quinolinate
ATP + NH4 +
PPi
ATP
CO2 + H2 O
H2 O
D-Glycerate2-phosphate
Minimális médium – E. coli (S)-dihydroorotate
orotate
Menaquinone 8 Menaquinol 8
orotidine 5'-phosphate
prpp
ppi
UDP
UMP H+
ATP
CO2
ADP
ATP
ADP
2-phospho-4-(cytidine 5'diphospho)-2-C-methyl-Derythritol
2-phospho-4-(cytidine 5'diphospho)-2-C-methyl-Derythritol
ADP + H+
CMP
CTP
ATP
2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate
ATP + ATP + 2-C-methyl-Dglutamate + glutamine + erythritol 42 H+ +Pi H2O phosphate + H+
Pi
1-hydroxy-2-methyl-2-(E)butenyl 4-diphosphate H+
H2O
UTP
isopentenyl diphosphate
NADH + H+
H2O + NAD+
Farnesyl diphosphate
PPi
Menaquinone 8 S-Adenosyl-Lhomocysteine + H+
all-trans-octaprenyl diphosphate
2-Demethylmenaquinone 8 S-Adenosyl-Lmethionine
PPi + H+ + CO2
1,4-Dihydroxy2-naphthoate
Autokatalitkus molekulák
ATP NAD (NADP) Koenzim A THF Kinonok Cukrok
ATP
CoA
NAD
Konklúzió ATP-ra univerzálisan szükség van Más szükséges molekulák koenzimek Ezen egyéb autokatalitikus ciklusok megjelenése környezetfüggő
Az anyagcsere autokatalitikus magja
Escherichia coli
ATP
Heliobacter pylori
ATP
Staphylococcus aureus
ATP
Lactococcus lactis
ATP
Streptomyces coelicolor
Lactobacillus plantarum
ATP ATP
Az anyagcsere autokatalitikus magja
Burkholderia cenocepacia Mannheimia succiniciproducens Mycoplasma genitalium Neisseria meningitidis Pseudomonas aeruginosa Rhizobium etli Rhodoferax ferrireducens Salmonella typhimurium Shewanella oneidensis Vibrio vulnificus Yersinia pestis Methanosarcina acetivorans Natronomonas pharaonis
ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP
Az anyagcsere autokatalitikus magja
Methanosarcina barkeri
Geobacter sulfurreducens
Synechocystis
ATP + NAD ATP + NAD + THF + CoA
ATP + NAD + THF + CoA + cukor
Az anyagcsere autokatalitikus magja
Acinetobacter baylyi Buchnera aphidicola Clostridium thermocellum Corynebacterium glutamicu Geobacter metallireducens Porphyromonas gingivalis Thermotoga maritima
ATP, CoA ATP, NAD, G6P ATP,THF ATP, NAD ATP, CoA, THF ATP,THF ATP, NAD, CoA
Halobacterium salinarum
ATP, NAD
Chlamydomonas reinhardtii Homo sapiens Leishmania major Pichia pastoris Pichia stipitis Plasmodium falciparum
NAD[c], ATP[h],THF[c], ATP[m] ATP[c], ATP[m], NADP[m] ATP[c], NAD[c] ATP[c], ATP[m], NAD[m] ATP[c], ATP[m], NAD[m] ATP[c], ATP[m]
Az Élet Szikrája ATP = energia eleve kell a szervezeteknek, hogy éljenek.
