КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К КЛАССИФИКАЦИИ МУТАЦИЙ В ГОМОЛОГИЧНЫХ БЕЛКАХ

Б. В. Чавчанидзе, К. С. Квинихидзе

Институт систем управления АН Грузии, Тбилиси

Анализ первичных структур гомологичных белков дает представление об области макромолекулы, необходимой для осуществления ее основной функции, и содержит сведения о путях биологической эволюции. Введение понятия «концепт-белок», а так-же описание процесса точечных мутаций на языке алгебры логики позволили создать алгоритм классификации мутаций в гомологичных белках и выявить так называемые «дополнительные полипептиды», которые либо еще не обнаружены, либо' уже не су-ществуют, либо по каким-то причинам не могут существовать.

Введение. Как известно, гомологичные белки - это белки, выполняющие сходные невидоспецифические функции в различных организмах незави-симо от сложности внутреннего строения этих организмов и принадлеж-ности к одному биологическому виду или даже классу.

Степень структурной близости гомологичных белков определяет их принадлежность к родственным видам, а степень .различия в структуре и характер этих различий могут, по-видимому, свидетельствовать о пути, которым шла эволюция видов. Изменения в первичной структуре белков, в результате которых могут возникать новые виды, эволюционировать или исчезать старые, явились результатом спонтанных мутаций, порож-дающих вставки, делеции или замещения' аминокислот. Изучение вопро-са о том, какие из этих изменений были закреплены в процессе эволю-ции, что повлекли за собой в организме как целостной системе, чем они вызваны и как отражаются на матричном Уровне в структуре нуклеино-вых кислот,-все эти вопросы представляют большой интерес не только как способ познания истины, но и как средство, которое может быть ис-пользовано в последующем для целенаправленного изменения свойств организмов. Этому могут послужить средства генной инженерии, полу-чившие широкое распространение в последнее время.

Хорошо известно также, что как при спонтанном мутационном про-цессе, так и при индуцированном мутагенезе генные или точечные му-тации способны затрагивать область из одной или нескольких пар осно-ваний. Эти мутации могут быть следствием замены, вставок или делений пар оснований в структурной части гена, в результате чего образуется аномальный белок либо с заменой аминокислотных остатков, либо с на-рушенной их последовательностью. Причиной точечных 'мутаций также могут быть транзиции, трансверсии, делеции или вставки на нуклеотид-ном уровне, происходящие спонтанно или вызванные химическими му-тагенами, в частности, HN0, ЛСД или коротковолновым излучением- ультрафиолетовым, рентгеновским, γ-лучами.

В настоящей работе рассматриваются точечные мутации, порожда-ющие только транзиции и трансверсии, и предлагается способ (метод) классификации таких мутаций в зависимости от того, на каком месте в триплете произошла мутация.

Концептуальный подход. При построении моделей различных объек-тов молекулярной генетики нами используются концепция и подходы, развитые в работах по искусственному концептуальному интеллекту [1, 2], а также модели и гипотезы по использованию идей концептуализа-ции, разработанные в целях построения так называемых «концепт-бел-ков» [3-6].

Согласно этому подходу, понятие об объекте исследования может быть обобщено в отношении целостного восприятия одновременно не-скольких объектов одного класса, и этот класс объектов, объединенных общими свойствами, рассмотрен как концепт-объект, как некий соби-рательный образ, который можно назвать «супергомобелок».

Для построения концепт-объекта гомологичных неспецифических белков у разных видов необходима формализация знаний. Так, для по-строения концепт-объектов белка и нуклеиновых кислот были использо-ваны методы формальной логики и теории предикатов [7, 8]. В этих работах свойства нуклеотидов, входящих в состав ДНК, представляют-ся следующим образом: P-свойства пуринов (А, G) быть длинными, т. е. иметь длину 0,7 нм; -свойство пиримидинов (С, T (U)) -быть короткими, т. е. иметь длину 0,5 нм. Свойства нуклеотидов в двойной спирали образовывать три водородные связи - Р, таким «свойством» обладают G и С; свойство же - присуще тем нуклеотидам, которые соединены в двойной спирали ДНК двумя водородными связями. Это А и Т. То же свойство приписывается основанию U. Введение такого обобщения свойств нуклеотидов позволяет формализовать запись пяти оснований следующим образом:

G- P₁P₂=Q_1; C- P=Q₃;

A-P Р=Q₂; T(U) - P Р=Q₄

Каждое основание представляется в виде двухместного предиката Q_i, i=. Используя эти обозначения, можем представить первичную структуру нуклеиновых кислот в виде конъюнкции предикатов:

Q&Q& Q& Q& Q…,

образованной четырьмя структурными единицами.^ аналогичной форме может быть представлена и первичная структура белка с той лишь раз-ницей, что структурных единиц будет двадцать:

В*&Н&Р&М&М&М&F&К...,

где каждой аминокислоте соответствует один или несколько вектор-столб-цов

(Qi), i, j, k =

(Q)_j

(Q_k)

Вырожденность генетического кода будет изображаться дизъюнк-цией вектор-матриц соответствующих триплетов, т. е. объединением три-плетов, являющихся кодом для данной аминокислоты [3].

Учитывая свойство коммутативности дизъюнкций, результат объ-единения элементов матрицы можно записать так:

QVQ=P QVQ=R RV=

QVQ= QV Q= QVQ₂VQ₃VQ₄=

Q₁VQ₃=P₂ PV= Q_mVQ_nVQ_p=-Q_I

Q₂ VQ₄= P₂ V= m,n,p,i=; mnpi.

Соответственно, триплеты оснований будут иметь вид:

Q_I P₁ P₂ R

Q_j, , R, P₁…,

Q_k

Согласно введенному выше определению, концепт-белок представ-ляет собой конъюнкцию «обобщенных аминокислот», описываемую «обобщенными триплетами». Обобщенным триплетом мы называем объ-единение (логическую сумму) тех триплетов, которые кодируют всю со-вокупность аминокислот, расположенных в данной позиции (локусе) в белке.

Очевидно, что на каждом уровне обобщенного триплета может на-ходиться один или несколько нуклеотидов. Число нуклеотидов, входящих в состав обобщенного триплета, является логической суммой степени вырожденности триплетов, кодирующих всю совокупность аминокислот, входящих в состав обобщенной аминокислоты.

При вычислении обобщенного триплета, соответствующего обобщен-ной аминокислоте, для п гомологичных белков (п - мерный концепт-белок), руководствовались следующими правилами [3]. .

1. Элемент каждой строки обобщенного триплета является объеди-нением (логической суммой) соответствующих элементов триплетов, ко-дирующих каждую из аминокислот, расположенных в данной позиции рассматриваемого семейства гомологичных белков.

2. Триплеты, входящие в состав обобщенного триплета, но не явля-ющиеся кодом ни для одной из аминокислот, расположенных в данной позиции рассматриваемого семейства гомологичных белков, называются дополнительными триплетами. Обобщенный триплет может и не содер-жать дополнительных триплетов.

3. Аминокислоты, которые кодируются дополнительными триплета-ми, называются дополнительными аминокислотами данной обобщенной аминокислоты. Обобщенная аминокислота может и не содержать допол-нительных аминокислот.

Таким образом, концепт-белок не только содержит каждый из со-ставляющих его гомологичных белков в качестве «траектории» или «ре-ализации» в пространстве концепта, но и так называемые «дополнитель-ные белки», которые либо еще не найдены, либо уже не существуют, .либо по каким-то причинам не могут существовать.

Результаты и обсуждение. Приведенные нами алгоритмы и формы представления знаний позволили получить интересный биологический результат-осуществить классификацию точечных, т. е. изменяющих только одно основание в триплете, мутаций в гомологичных белках (табл. I): а) молчащая мутация либо не вызывает изменения смысла .кодирования, либо приводит к замещению одной аминокислоты другой, отличающейся основанием, расположенным на III месте (уровне) в триплете.

В этом случае обобщенный триплет имеет вид: Q_i, где Z=, , ,

Q_j

(-Q_k) или ; k=;

б) простая точечная мутация, приводящая к замещению аминокислоты и возникающая в результате замещения нуклео-тидов, расположенных на первом или втором месте в триплете. Обобщен ный триплет в этом

x Q_i

случае имеет вид: Q_j или y, где x==, , , (-Q_j) или , y==, ,

Q Q

, (-Q_i) или ; i,j=;

в) сложная мута-дия, т. е. мутация, которая также приводит к замене аминокислот в белке, однако причиной сложной мутации является одновременное изменение-нуклеотидов, расположенных на первом и втором уровнях в триплете, Обобщенный триплет в сложной мутации

может иметь вид: y

Изучаемые нами объекты молекулярной биологии являются резуль-татом исследований, проводимых традиционно специалистами различ-' ных направлений физики, химии, биологии. Нами создана программа,, позволяющая классифицировать основные причины изменений в пер-вичной структуре белка, т. е. определить точечные мутации как «мол чащие», «простые» и «сложные». Банк данных содержит сведения о 10 гомологичных белках: инсулине, цитохромах, гемоглобине (α-, β-, γ-цепи) и др.

Реализованы алгоритмы, позволяющие получать обобщенный белок,. обобщенную аминокислоту, дополнительные аминокислоты (табл. 2).

Создана программа, дающая возможность оценивать частоту встреч тех или иных аминокислот в данной позиции, т. е. получать данные о. «наиболее» и «наименее» вероятных составах полипептидов для данно-го семейства гомологичных белков, относящихся к данному «суперго-мобелку» как к своему «концепт-белку». Что же касается проблемы ин-терпретации обобщенного набора свойств конкретного «супергомобел-ка», то это предмет экспериментальных и теоретических исследований будущего. Граница различия и отождествления тех элементов, которые организуют и обеспечивают неспецифические гомологичные белковые структуры, останется непостижимой, пока не будет решена задача иден-тификации, распознавания и классификации материальных белковых структур лабильно-устойчивой природы. Индивидуальность и коллек-тивность проявляются уже на уровне белков и особенно гомологичных.

Т а бл и ц а 1

Классификация мутаций гомологичных белкоз

Белок Число гомологичных белков, n Длина поли-пептидной цепи пробелы Молчащие мутации Точечные мутации Сложные мутации

Изменяющие амино-кислоту Не изменяю-щие амино-кислоту транзиции трансвер-сии Транзиции и трансвер-си

Аномальные гемоглобины человека 4 148 - 2 56 19 (15) 18(13) 7(7) 46

Цитохромы С 26 112 - 2 37 5 (4) 4 (1) 5(5) 59

Цитохром С последова-тельности общих предков 17 119 - 2 70 5(5) 5 (4) 5 (4) 32

Цитохром С2 из Rhodospirillum rubrum 9 123 16 2 25 9(6) 11 (6) 7(7) 53-

Цифры в скобках соответствуют изменениям, расположенным на 1-м месте в триплете.

Таблица2 Дополнительные аминокислоты локусов 11-16 цитохрома C₂ из Rhodospirillum rubrum

Локус Амино-кислоты Обобщенные триплеты Дополнитель-ные триплеты Допол нительные амино-кислоты Обобщенные аминокислоты Классифика-ция мутаций

11 VIA Q₂ Q₂Q₄ Q₃ Q₁ MT Сложная

12 ЕК Q₂ __ __ Точечная (транзиция)

13 G Qi __ __ _GМолчащая

14 КА P₁R Q Q₂ Q₁ Q₂ Q₃ Q₂Q₂ TEDN _TEDN Сложная.

15 КТ Q₂ R Q₂ Q₂ N _KTN Точечная" (трансвер-сия)

16 IL -Q₁Q₄ Q₂ Q₄ Q₄ Q₄ Q₁ MF _ILMFТочечная (транзиция и трансвер-сия)

* Использовано общепринятое в настоящее время однобуквенное обозначение амино-кислот.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Чавчанидзе В. В. К теории естественного и искусственного концептуального ин-теллекта // Материалы IV МОКИИ.- Тбилиси, 1976.- С. 7-17.

2. Chavchanidze V. V. Towards the general theory of conceptual systems // Kybernetes-1972-3, №l -P.17-25.

3.Квинихидзе К. С. Использование концептуального подхода для выявления допол-нительных аминокислотных последовательностей //Сообщ. АН ГССР-1985.- 118, № 1.С. 57-60.

4. Квинихидзе К. С., Чавчанидзе В. В. Концептуальный подход к описанию эволюции белковых структур // Там же.- 1976.- 84, № 2.- С. 337-340.

5. Kvinikhidze К. S., Chavchanidze V. V. Application of conceptual approach to describe the evolution of protein structure // Rep. at 8-th Int. Congr. on Cyberne-tics-Namur, 1976-P. 839-847.

6. Chavchanidze V. V., Kvinikhidze К. S. Biological structures computer modelling// Междунар. симпоз. «Физико-химия ДНК» : Тез. докл.-Тбилиси, 1987.-С. 223.

7. Carnap R. The logical foundation of probability.- Chicago : Univ. Chicago press, 1950.-P. 122-126.

8. Чавчанидзе В. В. К вопросу о расшифровке кода ДНК (РНК) и биологические соединения включения//Сообщ. АН ГССР.-1966.-44, № 1.-С. 19-26.

9. Чавчанидзе В. В., Квинихидзе К. С. О создании вычислимого понятия «концепт-объект» // Теория и устройства систем автомат, управления.- Тбилиси : Мецниереба, 1989.-С. 156-162.

10. Dayhoff М. О. Atlas on protein sequences and structure.-New York: Silver Spring Md., 1969- P. D8-D96.