Övning i bioinformatik

Transkript

1 Övning: Släktträd sid 1 Övning i bioinformatik Släktträd med hjälp av databaser och program från Internet Det finns databaser som är fritt tillgängliga och innehåller nukleotid- och amino-syrasekvenser från ett stort antal organismer. Den största DNA-databasen är GenBank medan SwissProt är störst när det gäller proteiner. Det finns också gratisprogram på Internet för att arbeta med de omfattande datamängderna. I den här övningen används Molecular Science student Workbench som är en webbplattform som underlättar arbetet att hämta data från databaser och sedan hantera materialet med hjälp av olika dataprogram. National Center for Supercomputing Applications (NCSA), vid the University of Illinois at Urbana-Champaign, USA, står bakom plattformen idag. Med utgångspunkt i de molekylära databaserna kan evolutionära frågeställningar ställas och utvecklingen av de levande organismerna studeras på molekylnivå. Elever i skolan kan på detta sätt arbeta som molekylärbiologiska forskare med samma material som används av professionella forskare. Övningen handlar om hur man använder aminosyrasekvenser för att bygga släktträd. Resultatet kan användas för att pröva hypoteser om släktskap som baseras exempelvis på yttre egenskaper (ex kroppsform, färg). Syftet med övningen är att vidga förståelsen för släktskap och evolutionära skeenden. Att bygga ett släktträd Arbetsgången för att bygga ett släktträd innehåller tre steg: 1. Sekvenser hämtas från DNA- eller proteindatabaser Det gäller att välja en sekvens som är gemensam för de organismer man vill studera och dessutom har en förändringstakt som lämpar sig för det evolutionära skeende man vill studera. Genom att jämföra motsvarande DNA eller proteinsekvenser från olika organismer kan man följa evolutionen tillbaka till ett gemensamt ursprung. 2. Alignment Nukleotid- eller aminosyrasekvenser från flera organismer läggs parallellt med hjälp av ett dataprogram så att den bästa överensstämmelsen uppnås. De regioner av aminosyrasekvenserna som överensstämmer helt mellan de olika arterna markeras med blå färg. Proceduren kallas alignment. Om man väljer sekvenser utan att ha mer ingående kunskap om deras uppbyggnad kan släktträdet se väldigt egendomligt ut. Detta kan t.ex. bero på att det skett evolutionära förändringar i nukleotidsekvensen i form av t.ex. deletioner som medför gap i sekvensen eller att det bildats olika antal duplikationer hos de olika arterna. 3. Släktträd Ett släktträd konstrueras sedan med hjälp av ett dataprogram med målsättningen att det ska krävas ett så litet antal förändringar av nukleotider eller aminosyror som möjligt för att förklara de data man har. Vid den traditionella metoden att konstruera släktträd utgår man från synliga skillnader i organismernas byggnad. Med bioinformatik kan släktskap visas mellan helt skilda organismer som t.ex. jäst, bananflugor och människor beskrivas med utgångspunkt i molekylärbiologi.

2 Övning: Släktträd sid 2 Släktträd med utgångspunkt i myoglobin Myoglobin har som uppgift att förse musklerna med syre genom att överta och lagra det syre som transporteras av hemoglobinet i de röda blodkropparna. Myoglobin är ett protein som finns hos ett stort antal djurarter. Det finns t.ex. hos både människa och fisk och man kan därför dra slutsatsen att det bildats tidigt under evolutionen innan de olika djurgrupperna skiljdes åt. Övningen handlar om att söka i en proteindatabas efter jämförbara sekvenser av proteinet myoglobin som hämtas från olika djurarter. Med utgångspunkt i dessa sekvenser byggs sedan ett släktträd som visar den evolutionära utvecklingen. Släktträdet kan användas för att studera släktskapet mellan djurarterna. Resultatet kan användas för att pröva hypoteser om släktskap som baseras på yttre egenskaper. På sista sidan hittar du foton på de djur som ingår i övningen. Man kan skriva ut färgkopior av den sidan och låta eleverna diskutera sig fram till ett möjligt släktträd mellan djuren utifrån deras utseenden. De kan exempelvis klippa/klistra och arrangera sitt släktträd på ett A3-papper och skriva korta motiveringar till varför de grupperar djuren som de gör (ex. vi placerar människa och schimpans som nära besläktade utifrån huvud med framåtriktade ögon ). Uppgiften är sedan att göra övningen och ta fram släktträd baserat på myoglobin för att pröva den hypotes man fått fram genom att jämföra yttre egenskaper. Utförande Starta genom att gå in på webbsidan Registrering För att få tillgång till Biology Student Workbench krävs en registrering av användaren. Registreringen är gratis och tar bara någon minut. Klicka på länken Proceed to SIB (Student interface) en bit ned på sidan. I den nya sida som öppnas kan du registrera dig. Du väljer själv User ID och Password. Resultatet av ditt arbete med Workbench lagras och du kan komma tillbaka och fortsätta arbetet vid senare tillfälle. Skriv därför ner inloggningsnamn och lösenord. Om du har registrerat dig tidigare: skriv in Username och Password och klicka på Submit. Starta en ny session Första gången du använder Biology Student Workbench måste du starta en ny s.k. session i likhet med att du öppnar ett nytt word-dokument för att börja skriva. En session kan liknas vid en mapp där du samlar ditt arbete. Sessionen döps till ett namn och sparas, vilket innebär att det går bra att återkomma till sessionen vid senare tillfälle. Klicka på NEW till höger om Create a NEW Session. Skriv ett valfritt namn vid Session Description, välj sedan Start New Session. På den nya sidan som visas finns den nya sessionen med. Framför namnet finns en ruta som ska vara markerad när du arbetar med sessionen. Arbetet med att hämta och analysera DNA- eller aminosyrasekvenser kan nu börja! 1. En aminosyrasekvens väljs 1.1 Klicka på knappen Protein Tools som finns i övre delen av sidan. 1.2 Skriv in human AND myoglobin i den tomma rutan i övre delen av sidan (Enter your search in the box below) Välj Swissprot human sequences från rutan Select one or more databases. Klicka sedan på knappen Njinn som finns till höger. 1.4 I listan med träffar väljs den aminosyrasekvens som ska vara utgångspunkt för den fortsatta sökningen. Markera rutan framför filen SWISSPROT:MYG_HUMAN 1.5 Klicka därefter på knappen Import sequence (s) längst ner på sidan. Detta innebär att filen SWISSPROT:MYG_HUMAN hämtas till Workbench.

3 Övning: Släktträd sid 3 2. Sök efter proteiner med likartade aminosyrasekvenser 2.1 På den nya sidan syns längst ner en text som anger den fil du valt: SWISSPROT:MYG_HUMAN. Markera filen genom att klicka i rutan framför namnet. 2.2 I en av rutorna i övre delen av sidan står Compare a Protein sequence to a protein sequence database. I denna ruta väljs SwissProt human och SwissProt mammals (excluding human and rodents) (håll ned Ctrl och klicka för att markera båda). 2.3 Klicka på knappen BLASTP som står till höger i övre delen av sidan. BLASTP är ett hjälpmedel för att jämföra den utvalda proteinsekvensen med proteinsekvenser i en databas och söka efter likartade sekvenser. Sökningen kommer att ge ett stort antal sekvenser. OBS! Ett varningsmeddelande kommer upp om man får fler träffar än vad som kan visas. Fortsätt övningen, flera av de sekvenser vi ska studera är sådana som kommer att visas direkt i första fönstret. 3. Aminosyrasekvenser väljs ut för alignment 3.1 Om du går längre ned på sidan hittar du sekvenserna, en lång lista på proteiner från olika organismer som matchar den ursprungliga sekvensen. Från denna lista väljs de organismer för vilka vi vill undersöka släktskapet genom att sätta en markering framför de valda organismerna (proteinsekvenserna). Ett dataprogram kommer att söka efter partier med samma sekvens av aminosyror i de olika proteinerna. Följande organismer är valda från helt skilda organismgrupper och är exempel på organismer som kan väljas. MYG_HUMAN MYG_PANTR MYG_GORBE MYG_PIG MYG_BALAC (människa, Homo sapiens) (schimpans, Pan troglodytes) (gorilla, Gorilla gorilla beringei) (gris, Suscrofa domesticus) (vikval, Balaenoptera acutorostrata) 3.2 Klicka på knappen Import sequence(s) i övre delen av sidan. Data importeras för att alignment ska kunna göras. 3.3 Upprepa punkt men välj databaserna swissprot human och swissprot vertebrata. Markera följande sekvenser: MYG_APTFO MYG_ALLMI MYG_GALJA MYG_THUAL (kejsarpingvin,aptenodytes forsteri) (alligator, Alligator mississippiensis) (gråhaj, Galeorhinus galeus) (gulfenad tonfisk, Thunnus albacares) 4. Alignment och släktträd 4.1 I fönstret som öppnas klickar du i rutorna framför sekvenser som ska ingå i alignment. 4.2 Klicka på länken CLUSTALW multiple sequence alignment ovanför tabellen, till höger. I det fönster som nu öppnas läggs aminosyrasekvenserna parallellt (alignment). Blå färg och tecknet (*) visar att alla arter har samma aminosyrarest, grön färg och tecknet (:) visar överensstämmelse mellan aminosyror som har likartade sidogrupper som starkt inverkar på aminosyrornas egenskaper, mörkviolett färg och tecknet (.) visar att överensstämmelsen mellan aminosyraresterna är mindre. Svart färg visar att det finns avsevärda skillnader mellan aminosyraresterna (under aminosyraresterna finns inget tecken). 4.3 Klicka på knappen Import Alignment. 4.4 Markera rutan CLUSTALW-Protein, som finns längst ner till vänster om sekvenserna. 4.5 Välj antingen knappen DRAWTREE som ger ett orotat fylogeniträd eller DRAWGRAM som ger ett rotat fylogeniträd.

4 Övning: Släktträd sid 4 5. Återgå till en tidigare session Om du vill återgå till en session som du arbetat med tidigare, klicka på webbläsarens bakåtknapp tills du når sidan där bl.a. knappen Preferences syns överst. Klicka på Preferences och i den nya sida som öppnas väljs den sparade filen. Välj sedan RESUME i stället för NEW. Ordlista Biology Student Workbench SESSION SWISSPROT BLASTP Alignment CLUSTALW Rotat släktträd Orotat släktträd En plattform som underlättar arbetet med att söka i databaser efter proteiner och DNA - sekvenser, samt innehåller program för hantering av stora datamängder. Den mapp som skapas när man arbetar med Workbench kallas SESSION. Proteindatabas med lagrade aminosyrasekvenser från en mängd organismer. Med programmet BLASTP kan en viss aminosyrasekvens jämföras med alla aminosyrasekvenser i en proteindatabas. BLASTP söker rätt på likartade sekvenser och ger en förteckning på dessa. Alignment innebär att aminosyra- eller DNA-sekvenser läggs parallellt så att de partier som är lika hamnar ovanför varandra. Ett program som utför alignment och bygger släktträd. Släktträdet har rot som visar det evolutionära ursprunget till de organismer som finns med i släktträdet. Avståndet mellan grenarna i släktträdet visar hur nära släkt organismerna är. Släktträdet saknar rot vilket gör att ursprunget ej går att visa, men avståndet mellan grenarna i släktträdet visar hur nära släkt organismerna är med varandra. Reflektioner och övningsuppgifter Släktträdet kan användas för reflektioner tillsammans med eleverna och för att gå vidare med studier i organismernas evolution. Överensstämmer släktträdet med det som ni förväntade er utifrån djurens yttre egenskaper? Om inte vilka kan orsakerna vara till avvikelserna? Hur är de tre primaterna - människa, gorilla och schimpans placerade i förhållande till varandra? När tror man att de skiljdes åt under evolutionen? Hur är valar placerade i förhållande till fiskarna respektive däggdjuren? Vad säger oss detta om valarnas ursprung? Hur kommer det sig att djur som till det yttre är förhållandevis lika finns så långt ifrån varandra på släktträdet? Hur uppkommer en sådan likhet mellan djur som endast är avlägset släkt? De organismer vi studerar är alla resultatet av en evolution från en gemensam förfader. Evolutionen har pågått under lång tid och förändringarna är stora. Inom t.ex. gruppen fiskar, som är den äldsta gruppen av ryggradsdjur, har förändringarna blivit så omfattande att fiskar sinsemellan skiljer sig åt väldigt mycket och kanske är skillnaderna större än inom andra grupper av ryggradsdjur. Övningsuppgift: Välj ut 5-8 nya djurarter. Leta fram bilder och latinska namn på organismerna. Studera utseendet och gruppera dem efter deras yttre karaktärsdrag. Skapa en hypotes i form av ett släktträd. Pröva hypotesen genom att utgå från aminosyrasekvenserna för myoglobin på samma sätt som i övningen som beskrivits ovan. Jämför det släktträd som baseras på yttre egenskaper och det som bygger på myoglobin. Diskutera likheter och skillnader.

5 Övning: Släktträd sid 5 ] Homo sapiens. Av Mikael Häggström derivative work: Lamilli (talk) Taken at City Studios in Stockholm ( September 29, 2011, with assistance from KYO (The organisation of life models) in Stockholm. Both models have consented to the licence Suscrofa domesticus. Photo by Scott Bauer. [ jun01/k htm Pan troglodytes. Hans Hillewaert / CC-BY-SA [ _(male).jpg] Alligator mississippiensis. by Postdlf [ American_Alligator.jpg] Thunnus albacares [ Balaenoptera acutorostrata. [ whale/balaenoptera-acutorostrata/image- A20922.html] Galenorhinus galeus. [ Gorilla gorilla beringei. By Dave Proffer [ ] Aptenodytes forsteri. By ianduffy [ @N00/ /]