Karsten Suhre IGS-CNRS

Name: Karsten Suhre IGS-CNRS
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Description: Karsten Suhre IGS-CNRS

Karsten Suhre IGS-CNRS
Interactions protéine-protéine: Réseaux globaux à l’échelle atomique … … une approche de bio-informatique Karsten Suhre IGS-CNRS Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Sommaire L’ « Interactome » Ontologie de gènes Bases de données
Prédiction d’interactions protéine-protéine Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

L’ « Interactome » Définition: Liste de toutes les interactions entre les macro-molécules d’une cellule : Protéine – protéine Protéine – ADN Protéine – ARN ARN – ADN …. Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

L’ « Interactome » Le nombre de gènes d’un génome ne semble pas être proportionnel à la complexité de l’organisme en question: E.coli : ~ 4,200 gènes Levure : ~ 6,400 gènes H. sapiens ~ 30,000 gènes La complexité d’un organisme est un résultat de la complexité de son « interactome » Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Cartographier l’ « interactome »
Approches classiques « low throughput » Co-Immunoprécipitation Co-cristallisation Génétique … Approches « high throughput » (méthodes à haut débit): Yeast two-hybrid system Tandem-Affinity Purification (TAP) tagging HMS-PCI Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Yeast two-hibrid system
Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Detection of protein associations in yeast using the two-hybrid system.
a, Fusion of the 'bait' protein and the DNA-binding domain of the transcriptional activator cannot turn on the reporter gene. b, Likewise, fusion of the 'prey' protein and the activating region of the transcriptional activator is also insufficient to switch on the reporter gene. c, When 'bait' and 'prey' associate, however, the DNA-binding domain and activator region are brought close enough together to switch on the reporter gene. The result is gene transcription and a colour change that can be monitored. Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Homo-dimers Hétéro-dimers

Tandem affinity purification (TAP-tag)

Spectroscopie de masse à haute résolution: HMS-PCI

Des limitations à ne pas oublier
Protéines membranaires difficiles Modifications des protéines natives (rajout de TAGs) Repliement de domaines pas garanti Milieu « non-natif » (ex. yeast double-hybrid) Protéines paralogues … Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Cartographier l’ « interactome »
Approches classiques « low throughput »  plus fiable, mais aussi plus cher Approches « high throughput » (méthodes à haut débit): Yeast two-hybrid system Tandem-Affinity Purification (TAP) tagging HMS-PCI  attention aux fausses positives et faux négatives !!! Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Ontologie de gènes Annotation des gènes dépend de l’organisme étudié
Difficile de comparer les réseaux d’interaction de manière automatique et objective Pb. de paralogies Langage d’annotation commun à développer  GO et COG Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

GO: Gene Ontology http://www.geneontology.org/
Effort collaboratrice dans l’annotation des organismes modèle (drosophile, levure, souris) Objectif: description consistante de la fonction d’un gène 3 vocabulaires structurés (+/- spécifique) : molecular function biological process cellular component Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

GO: exemples des 3 vocabulaires
molecular function : catalytic activity transporter activity binding adenylate cyclase activity Toll receptor binding biological process : cell growth and maintenance signal transduction pyrimidine metabolism alpha-glucoside transport. cellular component : rough endoplasmic reticulum nucleus ribosome proteasome Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

biological process cellular component molecular function

COG: Cluster of Orthologous Groups
COG: Cluster of Orthologous Groups Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

COG: Critère du Mutual Best Match
genome1 genome2 genome1 genome2 genome1 genome2 COG Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

COG: Liens entre trois génomes
Genome 1 Non Genome 2 Genome 3 Genome 4 Oui Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

COG: résumé Généralisation de la notion d’un gène à celle d’un COG
« Abstraction » du génome d’origine Classification fonctionnelle (rudimentaire) … et plus encore: Profiles phylogénomique (simple) Contexte génomique Alignements multiples Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Annotation de gènes avec des ontologies
GO (Gene Ontology)  plutôt adapté aux eucaryotes COG (Cluster of Orthologous Groups)  plutôt adapté aux procaryotes … mais il y a de la convergence ! Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

L’ « interactome » dans les bases de données dédiées
DIP Database of Interacting Proteins EMBL-EBI Interact BIND Biomolecular Interaction Network Database MIPS Mammalian Protein-Protein Interaction Database GRID General Repository for Interaction Datasets Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

DIP Database of Interacting Proteins http://dip.doe-mbi.ucla.edu/

CheZ CheA CheY FliG FliM ArcB FliN

EMBL-EBI Interact http://www.ebi.ac.uk/intact/

BIND Biomolecular Interaction Network Database http://bind.ca/

MIPS Mammalian Protein-Protein Interaction Database

GRID the General Depository for Interaction Datasets

L’ « interactome » dans les bases de données dédiées
DIP Database of Interacting Proteins EMBL-EBI Interact BIND Biomolecular Interaction Network Database MIPS Mammalian Protein-Protein Interaction Database GRID General Repository for Interaction Datasets Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Plus de ressources sur le Web
GenomeWeb Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

PAUSE Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Prédiction d’interactions putatives protéine-protéine
basée sur des données expérimentales basée sur des données génomiques … éventuellement Docking protéine-protéine Co-expression (puces à ADN) Co-régulation (facteurs de transcription, …) Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

InterPreTS protein Interaction Prediction through Tertiary Structure

PathBlast http://www.pathblast.org/bioc/pathblast/blastpathway.jsp
Comparaison de voies Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

STRING http://dag.embl-heidelberg.de/newstring_cgi/show_input_page.pl
Génomique comparative Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Placer le gène dans son contexte phylogénomique

STRING: Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

1. Co-evolution profiling
On dit que deux gènes ont co-évolué si ils sont tout les deux soit présents soit absents dans tous les génomes considérés. Exemples: Des gènes appartenant à une même voie métabolique Récepteurs et gènes de signalisation de chémotaxie + flagelles Systèmes de transport trans-membranaire / sécrétion Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

bon mauvais Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

2. Co-localization Des gènes appartenant à un même système fonctionnel sont souvent organisés en opéron (co-régulation). Des opérons ayant des fonctions liées sont souvent localisés à proximité sur le chromosome. Une conservation de la proximité de deux gènes à travers des génomes distants est un indice pour leur association fonctionnelle. Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

3. Rosetta Stone « Deux » protéines codées par un seul transcrit
Origine de la fusion de deux gènes réarrangement du chromosome mutation d’un codons STOP Des gènes appartenant à une même fonction sont souvent déjà proche sur le chromosome Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Pourquoi la fusion de gènes?
Protéines formant des complexes: Enzymes d’une même voie métabolique: Co-expression / co-translation Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Interpréter les résultats

PhydBac http://igs-server.cnrs-mrs.fr/phydbac/
Généralisation de la notion de distance phylogénétique entre deux gènes Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Profiles phylogénomique
Génomes bactériens BLAST scores normalisés Co-évolution Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

De la corrélation vers une « distance »
Co-évolution ~ corrélation entre profiles phylogénomique Définition d’une « distance » d = 1 - |c| Attention: ceci n’est pas une véritable distance, car … |d1 – d2| + |d2 – d3|  |d1-d3| Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Distances et « clustering »
Gènes « Clustering » fonctionnel Matrice de distances « pairwise » Gènes unknown known Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Le système tol/pal TolA TolR TolB TolQ Pal YbgF YbgC

Limitations de la co-évolution
Identification claire de l’orthologie entre deux gènes par fois difficile Duplications de gènes (paralogie) ou de systèmes de gènes Existence d’iso-protéines (par ex. iso-enzymes) sans homologie entre elles ORFans: par définition pas de co-évolution détectable pour des gènes qui sont uniques à un génome Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

FusionDB http://igs-server.cnrs-mrs.fr/FusionDB/

Limitations de la méthode
Des évènements de fusions ne sont pas toujours clairement identifiables Gains ou pertes de domaines Insertion d’un gène dans un autre Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

FusionDB: arbres phylogénomique
N-terminal C-terminal Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Quelques remarques finales …
> ,000 interactions dans les bases de données Taux élevé de faux positives et négatives possible PB: nomenclature des gènes homologues  ontologie de gènes Homogénéisation des bases de données en cours Prédiction d’interaction sur bases expérimentales et génomiques possible … Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

BACKUP Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Intégrer les informations
Combiner les informations données par les trois méthodes -> Scoring Réseaux d’interactions entre multiples protéines Interprétation biologique des résultats Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

Une vue sommaire de la fusion

Spécificité S = 0.003 N = 50 L’ensemble + s2 = 12 La sélection s1 = 15
x = 8 L’ensemble + La sélection Tous les Les trouvés Interactions protéine-protéine, Karsten Suhre, 18 Octobre 2004

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