Структурная компьютерная биология II: молекулярная эволюция и структура белков

I. Организационно-методический раздел.
    1.1. Цели и задачи курса.
    1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
    1.3. Формы контроля
II. Содержание дисциплины.
     2.1 Новизна курса.
     2.2. Тематический план курса.
     2.3. Содержание отдельных разделов и тем.
     2.4. Перечень примерных контрольных вопросов.
III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
     3.1. Темы рефератов.
     3.2 Образцы вопросов для подготовки к зачету.
     3.3 Список основной и дополнительной литературы.
     Лекции (2005-2006)
     Лекции (2003-2004)
     Семинары (2003-2004)

Курс включает 12 лекций и 8 практических занятий.

Лекционный курс состоит из трех разделов:

  1. Введение в методы распознавания и классификации (П.Деменков) — 3 лекции.
  2. Структурная биоинформатика белков (Д.А.Афонников) — 6 лекций.
  3. Анализ активных сайтов белков и введение в компьютерные методы разработки лекарств (В.А.Иванисенко)

Практические занятия  включают ознакомление с методами структурного анализа белков, методами молекулярного моделирования белковых структур (А. Бакулина).

I. Организационно-методический раздел.


1.1. Цели и задачи курса:

Дисциплина «Структурная компьютерная биология: компьютерные методы анализа структуры и функции генетических макромолекул и их молекулярной эволюции» предназначена для студентов-биологов 4-го курса, специализирующихся по информационной биологии. Курс включает лекции и практические занятия в компьютерном классе и является частью семестрового курса «Структурная компьютерная биология».

Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с современными компьютерными и теоретическими методами анализа структуры генетических макромолекул, которые позволяют изучать основные закономерности и особенности их функционирования и эволюции. Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

  • определить специфику компьютерного и теоретического анализа структуры генетических макромолекул;
  • дать обзор состояния современных методов анализа структур, банков данных и вычислительных ресурсов и программ структурной биологии, обратив особое внимание на их ограничения и особенности интерпретации результатов;
  • охарактеризовать основные направления исследований в области структурной компьютерной биологии, а также в области молекулярной эволюции белков;
  • проиллюстрировать различные методические подходы на примере реальных данных.
  • [Назад]

    1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины)

    По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

    • иметь представление об особенностях компьютерного и теоретического анализа структур генетических макромолекул;
    • знать основные принципы анализа и теоретические основы методов, используемых для его реализации,
    • проводить анализ структуры белков и РНК с помощью ресурсов, доступных в Интернет.

    [Назад]


    1.3. Формы контроля

    Итоговый контроль – экзамен,
    Текущий контроль – тестирование.

    [Назад]

    II. Содержание дисциплины.


    2.1. Новизна курса.

    Данный курс направлен на ознакомление студентов с современным состоянием проблемы структурной биологии, а так же методами структурного анализа, доступными через Интернет. В курсе представлены новейшие методы теоретического и компьютерного анализа структуры и функции генетических макромолекул, а так же их эволюции. В ходе обучения студенты получают навык практической работы с компьютерными программами анализа структуры, функции и эволюции белков, осваивают работу с базами данных структур генетических макромолекул. В результате лекционных занятий и практической работы в компьютерных классах студенты получают представление о функции и эволюции макромолекул на уровне их структур, что является особенно важным для более глубокого понимания принципов функционирования живых систем. Актуальность этого курса определяется тем, что на современном этапе молекулярной биологии невозможно получить полное понимание принципов функционирования живой клетки, не имея информации о структуре генетических макромолекул. В ответ на современные требования биологии возникла новая область знания – структурная биология. Поэтому подготовка высококвалифицированного специалиста-биолога требует изучения методов и принципов структурного анализа генетических макромолекул. Актуальность в преподавании такой дисциплины признана в передовых Российских и зарубежных вузах. Преподавание курса структурной биологии на кафедре информационной биологии ФЕН НГУ позволит готовить высококлассных специалистов мирового уровня.

    [Назад]


    2.2. Тематический план курса.

    Наименование

    Количество часов

    разделов и тем

    Лекции

    Семинары

    Лаборатор-

    ные работы

    Самостоятель-ная работа

    Всего часов

    Основные принципы молекулярной эволюции. Эволюция аминокислотных последовательностей.Филогенетический анализ

    4

    2

    6

    Методы и алгоритмы сравнительного анализа белковых структур. Эволюция белковых структур.

    4

    3

    7

    Методы предсказания структур белков

    2

    1

    3

    Эволюция белков в составе полных геномов.

    2

    2

    Компьютерный анализ структуры, функции и эволюции активных сайтов белков

    4

    1

    5

    Обмен белков в клетке

    4

    4

    Компьютерные алгоритмы для предсказания вторичной структуры РНК

    4

    1

    5

    Итого по курсу

    24

    8

    32

    [Назад]


    2.3. Содержание отдельных разделов и тем.

    Лекция 1.

    Основные принципы молекулярной эволюции .

    • Предмет и основные задачи молекулярной эволюции.
    • Объект исследования молекулярной эволюции.
    • Математические модели единичных замен на примере ДНК (мутационные события, матрицы замен).
    • Модели эволюции белковых последовательностей.
    • Влияние мутаций на структуру и функцию белков.
    • Нейтральная теория Кимуры.

    Лекция 2.

    Сравнительный анализ аминокислотных последовательностей.

    • Множественное выравнивание аминокислотных последовательностей
    • Методы и программы множественного выравнивания аминокислотных последовательностей. MSA, CLUSTALW.
    • Базы данных множественного выравнивания аминокислотных последовательностей.
    • Филогенетический анализ белковых последовательностей. Основные методы построения филогенетических деревьев.
    • Особенности эволюции белков и методы их учета при построении математических моделей. Координированные замены остатков.

    Лекция 3.

    Методы и алгоритмы сравнения пространственных структур белков.

    • Выравнивание белковых структур. Постановка задачи.
    • Основные понятия о геометрических преобразованиях: сдвиг, поворот, центр масс, главные оси.
    • Методы сравнения белковых структур.
    • Классификация белковых структур. Базы данных SCOP, FSSP.

    Лекция 4.

    Эволюция белковых структур.

    • Влияние мутаций на структуру белка.
    • Сравнение эволюции последовательностей и структур белков.
    • Пространство белковых структур.

    Лекция 5.

    Методы предсказания структур белков.

    • Классификация методов предсказания структуры белка.
    • Методы предсказания вторичной структуры белка.
    • Методы предсказания пространственной структуры белка
    • Методы предсказания типа укладки белка.
    • Программы предсказания доступные через Интернет.

    Лекция 6.

    Эволюция белков в составе полных геномов.

    • Особенности геномной эволюции. Дупликации генов и возникновение новой функции.
    • Ортологи и паралоги.
    • Сравнение скоростей эволюции белковых семейств в полных геномах бактерий.
    • Белки как участники генной сети. Белок-белковые взаимодействия.
    • Особенности эволюции мультидоменных белков и белков, формирующих комплексы.

    Лекция 7.

    Функциональные сайты глобулярных белков

    • Классификация функциональных сайтов;
    • Специфические особенности структурной организации активных центров ферментов, сайтов связывания лигандов, сайтов пострансляционной модификации;
    • Антигенные детерминанты как класс сайтов белок-белковых взаимодействий;
    • Конформационные и линейные эпитопы;
    • Методы распознования сайтов связывания с использованием афинной селекции из комбинаторных библиотек пептидов; фаговый дисплей;
    • Компьютерные методы распознавания функциональных сайтов: методы, основанные на анализе множественного выравнивания гомологичных белков; паттерны; весовые матрицы; нейронные сети; методы теории графов;методы структурного выравнивания.

    Лекция 8

    Количественный анализ взаимосвязи структура-активность

    • Методы анализа взаимосвязи структура-активность для малых молекулярных соединений QSAR, 3DQSAR, COMFA. Качественное и количественное описание активности. Структурные, геометрические, стерические и электронные параметры. Физико-химические характеристики. Топологические индексы.
    • «Физические» модели в анализе связи «структура-активность».Метод Ханша. Соотношения линейности свободной энергии.Аддитивная модель Фри-Уильсона.Регрессионные методы в анализе связи «структура-активность».
    • Методы анализа взаимосвязи структура-активность для белков.

    Лекция 9.

    Введение в биологию белкового обмена.

    • «Жизненный цикл» белков:
      • синтез белка;
      • функционирование белка; (основные типы белков, и их локализация);
      • распад белка (основные пути распада, введение в биологию убиквитин-зависимого протеасомного протеолиза).
    • Принципы регуляции содержания белков в клетке

    Лекция 10.

    Убиквитин-зависимая деградация белков. (I) Протеасомы (2 ч).

    • Эволюция протеолитической машины.
    • Структура и эволюция протеасомы.
    • Основные представления о функционировании протеасом.
    • Роль белок-белковых взаимодействий в функционировании протеасомы.
    • Модели в изучении протеасомного протеолиза.
    • Эволюция системы убиквитинизации.
    • Основные представления о функционировании каскада убиквитинизации.
    • Белок-белковое узнавание при убиквитинизации – основа регуляции деградации белков в клетке.
    • Деградация белковых комплексов.
    • Модели в изучении системы убиквитинизации.

    Лекция 11.

    Компьютерные алгоритмы для предсказания вторичной структуры. Термодинамический подход.

    Лекция 12.

    Компьютерные алгоритмы для предсказания вторичной структуры. Сравнительный и лингвистический подходы.

    Программа практических занятий «Структурная биология в Интернет»

    • Базы и банки данных структур макромолекул и системы доступа к ним.
    • Методы анализа структурных характеристик белков. Программы WhatIf, DSSP, база данных DSSP.
    • Множественное выравнивание белковых последовательностей. Программы выравнивания в Интернет (CLUSTALW), программы визуализации (JalView). Базы данных множественных выравниваний HSSP и Pfam.
    • Филогенетический анализ белковых последовательностей. Программы CLUSTAL и Phylip.
    • Программы сравнения белковых структур. Программа СЕ. Базы и банки данных классификации белковых структур (CATH, SCOP, FSSP).
    • Анализ активных сайтов белков. База данных Prosite. Поиск сайтов в аминокислотной последовательности. Анализ структурных особенностей активных сайтов.
    • Программы предсказания белковых структур (предсказание вторичной, третичной структуры, распознавание типа укладки).
    • Методы предсказания вторичной структуры РНК.

    [Назад]


    2.4. Перечень примерных контрольных вопросов.

    1. Что является предметом исследования молекулярной эволюции?
    2. В чем различие между моделями эволюции ДНК Джукса-Кантора и Кимуры?
    3. В каких единицах измеряется эволюционное расстояние аминокислотных последовательностей?
    4. Каким образом влияют аминокислотные замены на стабильность и функцию белка?
    5. Приведите основные положения нейтральной теории.
    6. Какую информацию можно получить на основе множественного выравнивания аминокислотных последовательностей?
    7. В чем заключается алгоритм прогрессивного множественного выравнивания?
    8. Приведите примеры баз данных множественных выравниваний.
    9. Какие существуют методы построения филогенетических деревьев?
    10. В чем заключаются особенности эволюции белков по сравнению с моделью. Дайхофф?
    11. Что такое координированные замены остатков и чем они обусловлены?
    12. Какие основные геометрические преобразования используются для сравнения белковых структур?
    13. Приведите примеры программ структурного выравнивания и укажите их основные особенности.
    14. Какие существуют базы данных по классификации белковых структур? Приведите пример.
    15. В чем особенность эволюции белковых структур?
    16. Что такое ортологи и паралоги?
    17. Особенности эволюции белковых семейств.
    18. Какие существуют классы функциональных сайтов белков?
    19. Какие существуют методы распознавания активных сайтов белков?
    20. Приведите примеры методов анализа взаимосвязи между структурой белка и его активностью.
    21. Укажите основные этапы жизненного цикла белков.
    22. В чем заключается роль протеасомы в белковой деградации?
    23. Приведите основные типы вторичной структуры РНК.
    24. В чем заключается сравнительный подход к предсказанию структуры РНК?

    [Назад]

    III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.


    3.1. Темы рефератов. Не предусмотрены.

    3.2 Образцы вопросов для подготовки к зачету.

    Билет 1

    1) Предмет и основные задачи молекулярной эволюции. Объект исследования молекулярной эволюции. Математические модели единичных замен на примере ДНК (мутационные события, матрицы замен).
    2) Классификация функциональных сайтов; Специфические особенности структурной организации активных центров ферментов, сайтов связывания лигандов, сайтов пострансляционной модификации; Антигенные детерминанты как класс сайтов белок-белковых взаимодействий; Конформационные и линейные эпитопы;

    Билет 2

    1) Модели эволюции белковых последовательностей. Влияние мутаций на структуру и функцию белков. Нейтральная теория Кимуры.
    2) Методы распознования сайтов связывания с использованием афинной селекции из комбинаторных библиотек пептидов; фаговый дисплей; Компьютерные методы распознавания функциональных сайтов: методы, основанные на анализе множественного выравнивания гомологичных белков; паттерны; весовые матрицы; нейронные сети; методы теории графов; методы структурного выравнивания.

    Билет 3

    1) Множественное выравнивание аминокислотных последовательностей. Методы и программы множественного выравнивания аминокислотных последовательностей. Базы данных множественного выравнивания аминокислотных последовательностей.
    2) Методы анализа взаимосвязи структура-активность для малых молекулярных соединений QSAR, 3DQSAR, COMFA. Качественное и количественное описание активности. Структурные, геометрические, стерические и электронные параметры. Физико-химические характеристики. Топологические индексы.

    Билет 4

    1) Филогенетический анализ белковых последовательностей. Основные методы построения филогенетических деревьев. Особенности эволюции белков и методы их учета при построении математических моделей. Координированные замены остатков.
    2) «Физические» модели в анализе связи «структура-активность».Метод Ханша. Соотношения линейности свободной энергии.Аддитивная модель Фри-Уильсона.Регрессионные методы в анализе связи «структура-активность». Методы анализа взаимосвязи структура-активность для белков.

    Билет 5

    1) Выравнивание белковых структур. Постановка задачи. Основные понятия о геометрических преобразованиях: сдвиг, поворот, центр масс, главные оси.
    2) «Жизненный цикл» белков: синтез белка; функционирование белка; (основные типы белков, и их локализация); распад белка (основные пути распада, введение в биологию убиквитин-зависимого протеасомного протеолиза).

    Билет 6

    1) Методы сравнения белковых структур. Классификация белковых структур. Базы данных SCOP, FSSP.
    2) Принципы регуляции содержания белков в клетке.

    Билет 7

    1) Влияние мутаций на структуру белка.
    2) Эволюция протеолитической машины. Структура и эволюция протеасомы. Основные представления о функционировании протеасом. Роль белок-белковых взаимодействий в функционировании протеасомы.

    Билет 8

    1) Сравнение эволюции последовательностей и структур белков. Пространство белковых структур.
    2) Модели в изучении протеасомного протеолиза. Эволюция системы убиквитинизации. Основные представления о функционировании каскада убиквитинизации. Белок-белковое узнавание при убиквитинизации – основа регуляции деградации белков в клетке. Деградация белковых комплексов. Модели в изучении системы убиквитинизации.

    Билет 9

    1) Классификация методов предсказания структуры белка. Методы предсказания вторичной структуры белка.
    2) Вторичная структура РНК, ее основные элементы.

    Билет 10

    1) Методы предсказания пространственной структуры белка. Методы предсказания типа укладки белка. Программы предсказания доступные через Интернет
    2) Термодинамические методы предсказания вторичной структуры РНК.

    Билет 11

    1) Особенности геномной эволюции. Дупликации генов и возникновение новой функции. Ортологи и паралоги.
    2) Принципы эволюции вторичной структуры РНК.

    Билет 12

    1) Сравнение скоростей эволюции белковых семейств в полных геномах бактерий. Белки как участники генной сети. Белок-белковые взаимодействия. Особенности эволюции мультидоменных белков и белков, формирующих комплексы.
    2) Сравнительный и лингвистический подходы к предсказанию структуры РНК.

    [Назад]


    3.3. Список основной и дополнительной литературы

    1. Кимура, М. (1985) Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М. Мир, 1985.
    2. Шульц, Г., Ширмер, Р. (1984) Принципы структурной организации белков. М. : Мир, 1982.
    3. Финкельштейн А.В.. Введение в физику белка. http://phys.protres.ru/lectures/protein_physics/
    4. [Назад]

      Лекции (2005 — 2006)

      Лекция №1. Математическая статистика (скачать)
      Комментарии к лекции 1 (скачат)

      Лекция №2. Методы анализа данных (скачать)
      Комментарии к лекции 2 (скачать)

      [Назад]

      Лекции (2003 — 2004)

      Лекция №1. Введение в проблему конструирования лекарственных препаратов — 1 (скачать)
      Комментарии к лекции 1 (скачать)

      Лекция №2. Введение в проблему конструирования лекарственных препаратов — 2 (скачать)

      Лекция №3. Молекулярная эволюция белков (скачать)
      Комментарии к лекции 3 (скачать)

      Лекция №4. Вторичная структура РНК: компьютерные методы анализа (скачать)

      [Назад]

      Семинары (2003 — 2004)

      Занятие 1. Базы данных по структурам генетических макромолекул

      Занятие 2. Программы визуализации структур генетических макромолекул

      Занятие 3. Анализ структурных характеристик  белков

      Занятие 4. Выравнивание последовательностей

      Занятие 5. Структурное выравнивание белков

      Занятие 6. Моделирование структур белков

      Занятие 7. Анализ активных сайтов белков

      Зачетное задание

      [Назад]