بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه اول
حداقل زمان مورد نیاز برای انجام پروژه: 3 هفته
هزینه برآوردی: بدون هزینه
سطح دشواری: پیشرفته
بیوانفورماتیک به زبان ساده
پروتئین اُپسین (Opsin ) انسان در سلول های شبكیه (Retina) چشم قرار دارند و نور دریافتی را به صورت سیگنال های پشت سر هم تبدیل کرده و این سیگنال ها از سلول شبکیه وارد عصب بینایی می گردد. اینكه این پروتئین ها چگونه عمل می كنند و در بینایی چه نقشی دارند، مباحث زیبایی است كه خواننده كنجكاو می تواند با مراجعه به كتاب ها و منابع فیزیولوژی از آن ها مطلع شود. در این پروژه می خواهیم ببینیم ژن كد كننده (Coding gene ) پروتئین اُپسین در كجای ژنوم (Genome) انسان قرار دارد. در چه موجودات دیگری ژن اُپسین و یا مشابه آن یافت. جهش در این ژن چه اختلالاتی را ایجاد می كند و اینكه آیا از تفاوت های یك ژن در موجودات مختلف می توان برای تقسیم بندی آن ها استفاده نمود؟
مقدمه
بیوانفورماتیك چیست؟
تصور كنید در طول تكامل (Evolution) بواسطه فرآیندهای مختلف، از روی یك ژن یک كپی ایجاد و در ژنوم قرار گرفته است. در هر یك از این دو ژن تغییرات متعددی رخ داده است، حتی بخشی از یک توالی ممکن است حذف شده باشد. محققی كه بر روی این دو ژن جدید كار می كند در پی یافتن این تغییرات است كه از روی آن ها بتواند تفاوت های عملكردی پروتئین های حاصل از بیان (protein expression) آن ها را تفسیر نماید و نكته مهم اینجاست كه آنقدر این دو تغییر كرده اند كه نه شباهت ها به راحتی دیده می شوند و نه تفاوت ها. نیاز اصلی زیست شناسی به علم كامپیوتر در حل این مسئله و مسائل مشابه سبب شده است كه حوزه بین رشته ای به نام بیوانفورماتیك (Bioinformatics) ایجاد شود كه از طرفی برنامه نویسان توانایی خود را در حل مسائل موجود در عالم حیات محك بزنند و هم زیست شناسان بتوانند نتیجه زحمات خود را از انجام فعالیت های طاقت فرسای توالی یابی (Sequencing) پروتئین ها و اسیدهای نوكلئیك ببینند. امروزه بیوانفورماتیك و زیست شناسی محاسباتی (Computational biology ) رشته های پرطرفداری هستند، زیرا آن ها می توانند در پزشكی قرن 21 و بسیاری از زمینه های علوم زیستی نقش مهم و تأثیر گذاری داشته باشند. محققین این رشته ها لازم است هم زمان آشنایی خوبی با علوم كامپیوتر و علوم زیستی داشته باشند.
چگونه توالی های مختلف آمینواسیدی با هم مقایسه می شوند؟
عملكرد پروتئین به شكل سه بعدی (3D structure ) (ساختار سوم) آن و شكل سه بعدی پروتئین به توالی آمینواسیدی (Amino acid sequence ) (ساختار اول) آن است. این اصل به محققینی كه در یكی از زمینه‌های بیوانفورماتیك فعالیت می‌كنند، كمك می‌كند كه برای مقاصد مختلفی (نظیر بررسی عملكرد پروتئین‌ها، یافتن رابطه تبارزایی (Phylogenetic) بین موجودات مختلف، شناسایی علت علائم بسیاری از بیمار‌ی ها و غیره) به سراغ توالی آمینواسیدی پروتئین ها بروند. در این مرحله اولین سؤال این است كه چگونه می توان توالی بلند دو و یا چند پروتئین را مقایسه كرد و متوجه شباهت ها و تفاوت های آنها شد. در واقع توالی های آمینواسیدی یك پروتئین، ردیف طولانی از بیست حرف مختلف (نماینده بیست آمینواسید) است كه تنها با كمك توان محاسباتی كامپیوترها قادر خواهیم بود، تفاوت‌ها و شباهت‌های دو یا چند پروتئین را متوجه شویم.
برای مقایسه دو توالی در مرحله اول می‌باید به بهترین شکل آن دو را بر هم منطبق (Alignment) نمود. برای قابل فهم شدن مسئله انطباق به مثال زیر توجه کنید.
به تصویر سگ و مرغابی در زیر توجه كنید. منطبق سازی توالی به این معناست كه مثلاً دو تصویر زیر را به نحوی روی هم بیاندازیم كه بیشترین شباهت را با هم داشته باشند. حالت های مختلفی برای روی هم انداختن دو تصویر زیر وجود دارد.
مثلاً می توان این دو را به صورت زیر روی هم انداخت، بدون هیچ گونه فعالیت هوشمندانه ای؟!
و یا كمی هوش به خرج داده و تفاوت سر و دم و جهت دو حیوان را تشخیص داده و آنها را مانند شكل زیر روی هم انداخت.
باز هم خیلی از بخش های مشابه روی هم نیافتاده اند و با چرخاندن بیشتر نیز نمی توان به وضعیتی رسید كه تمام بخش های مشابه روی هم افتاده باشند. دم ها بر روی هم، پاها و چشم ها و دهان و غیره. اما اگر قادر باشیم بخش های از بدن مرغابی را بكشیم یا جمع كنیم مانند تصویر زیر:
در ایجاد تصویر بالا سعی شده است كه بیشترین انطباق بین سگ و مرغابی ایجاد شود. دراین تصویر، بخش هایی مانند دم، پاها ، سر، چشم چپ، دهان و شكم بر روی هم قرار دارند و بخش هایی غیر مشتركی هم وجود دارند مانند پاهای جلویی سگ كه جای آنها بر روی بدن مرغابی خالیست و یا بال های مرغابی كه جای آن بر روی بدن سگ خالیست. در واقع این انطباق علاوه بر نشان دادن بخش های مشابه، بخش های متفاوت را نیز مشخص كرده است. حتی می توان بر اساس نتایج به دست آمده به اتفاقات تکاملی پرندگان و پستانداران فکر نمود.
سؤال اصلی اینجا است كه این انطباق چگونه ایجاد شده است؟ واضح است كه مغز انسان می‌تواند هوشمندانه بخش های مشابه را تشخیص دهد و از آنها برای ایجاد انطباق استفاده كند.
منطبق سازی توالی ها (Sequence alignment) نیز به معنای زیر هم انداختن توالی هاست به نحوی كه بیشترین بخش های یكسان و یا مشابه روی هم قرار گیرند كه ممكن است به هزینه ایجاد جاهای خالی (Gaps) در یكی از دو توالی انجام شود. با این حال امکان روی هم افتادن بخش هایی کاملا متفاوت نیز وجود دارد. زیرا اضافه کردن جاهای خالی از اصولی تبعیت می کند، در مثال انطباق دو شکل نیز می بایست در انتها مرغابی، مرغابی باقی بماند.
واضح به نظر می رسد كه آخرین انطباق بهتر از سایرین است (پنج نوكلئوتید منطبق از هشت نوكلئوتید). برای حل این مسئله، نیاز به روشی داریم كه تمام انطباق های ممكن را به صورتی نظام مند بسازد و همچنین نیاز به مقیاسی برای اندازه گیری كمّی هر یك از انطباق ها است تا در نهایت بهترین انطباق انتخاب شود. انطباق بهینه لزوماً یكی نیست و چندین مورد انطباق مختلف می توانند امتیاز مشابه بدست آورند.
در مورد توالی كوتاه (مانند مثال فوق) با كمی صرف زمان به جواب می رسیم. ولی در مورد توالی ژن پروتئین های انسانی كه به طور متوسط از 8000 نوكلئوتید تشكیل شده اند چه‌طور!؟ مسلماً انتظار نمی رود كه مقایسه و یا بررسی های دیگر روی این رشته حروف همانند مطالعه یك متن تلقی شده و با چشم خوانده شود و تفاوت های دو توالی معلوم گردد. مسئله زمانی پیچیده تر خواهد شد كه نقش انواع جهش ها (جانشینی (Substitution)، واژگونی (Inversion)، حذف (Deletion) و اضافه (Insertin)) را نیز فراموش نكنیم و یا بخواهیم به جای دو توالی، چندین توالی را با هم مقایسه كنیم. در واقع مغز انسان برای حل مسئله انطباق به اندازه كافی باهوش است ولی توانایی محاسبه لازم را ندارد و برای جبران ناتوانی محاسباتی مغز از پردازنده های كامپیوتری استفاده می‌شود.
برنامه‌نویسان با ابداع الگوریتم‌های (Algorithm) مختلف نظیر الگوریتم Dynamic programing و پیاده سازی در نرم‌افزارهای مختلف، هوشمندی مغز انسان را در حل این مسائل نشان داده اند. شما می توانید با جستجوی نام الگوریتم در اینترنت با راه حل آن آشنا شوید و یا آنكه قدرت حل مسئله ذهن تان را بیازمایید.
مطالب مرتبط:
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه اول
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه دوم
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه سوم
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه چهارم
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه پنجم
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه ششم
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه هفتم
بررسی ژن و پروتئین اُپسین به كمك ابزارهای بیوانفورماتیك، جلسه هشتم
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: زینب باقری
تنظیم: زینب شاه مرادی
