Warum ist dieses Wissen wichtig? Multiple Sequenz Alignments (MSAs) enthalten mehr Information als eine einzelne Sequenz oder ein paarweises Alignment. In dieser Einheit beschäftigen wir uns mit Methoden, diese Information zu nutzen. Die Idee ist jeweils, die Verteilung der Symbole spaltenweise zu bewerten.
Bezug Die theoretischen Grundlagen finden Sie im Kapitel 10 "Sequenz-Motive".

Lernziel

Nach dem Bearbeiten der Übung sollten Sie
  • Scores aus MSAS berechnen können,
  • Sequenz-Logos interpretieren können,
  • das Prinzip des Alignments einer Sequenz mit einem Profil verstanden haben,
  • Signaturen verstehen.
  

Profile

  
Übung Profile_1
   
  Gegen sei das folgende MSA von Erkennungssequenzen und die daraus abgeleitete, unvollständige Scoring-Matrix. Die Scores wurde mithilfe der log10-Funktion errechnet.
 
1234
AATG
ACCG
GGAA
CTAC
TTGT
  1 2 3 4
A 0.125 -0.18 0.125 ?
C 0 0 0 ?
G -0.10 -0.10 -0.10 ?
T -0.10 0.20 -0.10 ?
   
 
Welchen Score erreicht die Sequenz ATTG im Vergleich mit diesem Motiv? 
  
HinweiseBestimmen Sie zunächst die fehlenden Scores für die Spalte 4. Berechnen Sie anschliessend den Score für die Sequenz ATTG.
LösungHier finden Sie eine Lösung.
  
Übung Profile_2
  
 Gegeben Sei dieses multiple Sequenzalignment von TrpF-Sequenzen. Uns interessiert die Verteilung der Aminosäuren an den einzelnen Positionen.

 
Bestimmen Sie ein Sequenz-Logo.
Hinweise Benutzen Sie diesen Server und übergeben Sie per copy and paste das MSA.

Es empfiehlt sich, folgende Parameter einzustellen:

Image format: PDF, Sequence Type amino acid

Interpretieren Sie anschließend das Ergebnis:

An welchen Positionen sind die Aminosäuren strikt konserviert?
An welchen Positionen sind welche Variationen erlaubt?

Gibt es größere Bereiche mit hoher Konservierung der Sequenz?
Gibt es Regionen, in denen die Sequenz kaum konserviert ist?

Überlegen Sie sich nochmals den Unterschied zwischen Konsensus-Sequenz und dieser Darstellung.
 
Bestimmen Sie die Verteilung der Residuen auf die Sekundärstrukturelemente.
  
HinweiseDie erste Sequenz aus dem MSA ist die des Proteins TRPF_THEMA, d. h. des TrpF -Proteins aus Thermotoga maritima. Dessen Struktur ist bekannt und hier finden Sie eine Darstellung der Sekundärstruktur. Welche Elemente der Struktur sind hier besonders konserviert?
 
Übung Profile_3
   
 

Im Folgenden beschäftigen wir uns mit dem Alignment zwischen einer Sequenz und einem Profil. Die Sequenz lautet ATCC. Sie ist bereits neben der Matrix eingetragen, diese ist bereits für die Berechnung des Alignments vorbereitet.

 
Berechnen Sie den Gesamtscore mit Papier und Bleistift. 
HinweiseIn der mit Gap markierten Zeile sind positionsspezifisch Scores für das Einführen vom Lücken angegeben. Mit s(ai , j) ist der Eintrag gemeint, der in  der Spalte j und der Zeile zu finden ist, die mit dem Symbol ai bezeichnet ist.

Das Alignment ist in diesem Fall nicht relevant. Um ein Alignieren des ersten Symbols zu erzwingen, ist die nullte Spalte hier mit -∞ initialisiert.

 Verwenden Sie wiederum dynamische Programmierung.

Die Bedingung für das Füllen der Matrix lautet nun:

Sij = max { Si-1, j + Gap(j) , Si-1, j-1 + s(ai , j) ,  Si, j-1 + Gap(j) }

 

 
Gap-2-2-1-2-1
A453-10
C24-432
G-20202
T-2-12-2-1
-> j
0-2-4-6-8-10
A-∞          
T -∞          
C -∞          
C -∞          

 

 Wie unterscheidet sich generell die Berechnung eines Alignments zwischen zwei Sequenzen und zwischen einer Sequenz und einem Profil? 
  

Signaturen
   
Übung Signatur_1
   
  Die Protein-Struktur 2gat.pdb enthält einen Zink-Finger. Studieren Sie diesen Eintrag auf der PDB-Sum Seite des EBI.

Dies ist die in Prosite dazu hinterlegte Signatur:
 
C-x-[DN]-C-x(4,5)-[ST]-x(2)-W-[HR]-[RK]-x(3)-[GN]-x(3,4)-C-N-[AS]-C
   
 

Wo ist in der Struktur das Zink-Finger-Motiv zu finden?
Hinweise

Versuchen Sie sich einen Überblick über die Sequenzvariation innerhalb des Fingers zu verschaffen.

Beispielsweise durch BLASTEN mit Alignment view "query anchored with dots for identities".

Diese Option können Sie auf der Tafel "Reformat these Results" im Feld "Alignment view" einstellen. Nach Drücken der Taste View Report wird eine neue Ausgabe generiert.

Suchen Sie via SRS den Prosite- und Interpro-Eintrag, der den Zink-Finger beschreibt.
   

Was Sie jetzt verstanden haben sollten

 Es gibt mehrere Möglichkeiten, um eine Menge von Sequenzen zu beschreiben. Der Vergleich einer Sequenz mit einem Profil führt zu Verfahren wie PSI-BLAST oder den Hidden-Markov-Modellen.