Занятие 6: Киотская энциклопедия генов и геномов (KEGG)

Определение метаболических путей, в которых участвует фермент PGH1_HUMAN

В документе Swiss-Prot с описанием белка можно найти идентификатор гена в KEGG: hsa:5742.

В соответствующем документе KEGG приведено описание метаболический путей («Pathways»), ассоциированных с геном:

Метаболические пути, ассоциированные с геном hsa:5742

Ниже приведено изображение карты пути метаболизма арахидоновой кислоты (здесь и далее по нажатию на изображение доступен его просмотр в увеличенном размере).

Метаболизм арахидоновой кислоты

Поиск структурных формул заданных соединений в KEGG

С помощью поиска по базе лигандов (KEGG > KEGG2 > KEGG LIGAND) можно установить формулы структурных соединений, в частности хоризмата и убихинона.

Структурные формулы для хоризмата (chorismate, C00251) и убихинона (ubiquinone, C00399) приведены на следующих изображениях:.

Хоризмат

Убихинон

Поиск метаболического пути от одного заданного вещества к другому

С помощью инструмента работы с картами метаболических путей (KEGG > KEGG PATHWAY > Search&Color Pathway) можно найти карты, в которых присутствуют оба соединения хоризмат и убихинон, а затем найти путь, соединяющий два вещества.

Для этого в поле ввода запроса следует записать идентификаторы соединений и желаемый цвет их окраски:

C00251 red
C00399 green

Из найденных карт была выбрана карта пути биосинтеза убихинона и других терпеноидных хинонов (Ubiquinone and other terpenoid-quinone biosynthesis). Её изображение с отмеченными красным и зелёным цветами соединениями (хоризмат и убихинон) приведено ниже.

Биосинтез убихинона и других терпеноидных хинонов

С использованием этой карты можно найти путь, соединяющий два вещества. Он имеет направление (от хоризмата к убихинону) и состоит из следующей цепочки последовательных ферментативных реакций:

Выбранная цепочка ферментативных реакций

Карта: фиксация углерода при фотосинтезе.
Путь: хоризмат → убихинон.
Цепочка: хоризмат ↔ 4-гидроксибензоат (4-гидроксибензойная кислота) → 4-гидрокси-3-полипренилбензоат → 2-полипренилфенол → 2-полипренил-6-гидроксифенол → 2-полипренил-6-метоксифенол → 2-полипренил-6-метокси-1,4-бензохинон → 2-полипренил-3-метил-6-метокси-1,4-бензохинон → 2-полипренил-3-метил-5-гидрокси-6-метокси-1,4-бензохинон → убихинон.

Найденный путь можно отметить на карте, если в поле запроса ввести идентификаторы заданных и всех промежуточных соединений.

C00251 red
C00156 yellow
C05848 yellow
C05807 yellow
C17551 yellow
C17552 yellow
C17560 yellow
C17561 yellow
C17562 yellow
C00399 green

На приведённой ниже карте начальное соединение выделено красным цветом, конечное – зелёным, промежуточные – жёлтым.

Найденный путь, отмеченный на карте

Стоит отметить, что возможен ещё один выбор пути от хоризмата к убихинону по рассматриваемой карте. Его отличие от рассмотренного выше состоит в другом пути от 4-гидрокси-3-полипренилбензоата до 2-полипренил-6-метоксифенола:

4-гидрокси-3-полипренилбензоат → 3-полипренил-4,5-дигидроксибензоат →
3-полипренил-4-гидрокси-5-метоксибензоат → 2-полипренил-6-метоксифенол

Сравнение метаболических путей у разных организмов

Определить, возможна ли выбранная выше цепочка ферментативных реакций у организмов, перечисленных в таблице ниже, можно с помощью изучения карты в режимах, соответствующих определённым организмам (для этого общую карту Reference map надо перевести в соответствующий выбранному организму режим).

Возможность выбранной цепочки ферментативных реакций в разных организмах

Можно отметить, что при рассмотрении альтернативного пути от хоризмата к убихинону, о котором указано выше, у человека неизвестен лишь один ген – ген фермента, катализирующего первую стадию (EC 4.1.3.40).

Карта для Homo sapiens приведена ниже.

Карта для Homo sapiens

Мнение о KEGG

KEGG содержит большое количество информации, и безусловным плюсом этого сервиса является её структурированность. На странице каждого раздела или инструмента сервиса имеется информация о содержании раздела или назначении инструмента, что, безусловно, помогает при использовании сервиса. Интерфейс простой, «лёгкий» и ненавязчивый, при этом выглядит достойно на фоне большого количества биологических и биоинформатических сервисов. Некоторые сомнения в качестве пользовательского интерфейса может вызвать выравнивание всех страниц KEGG по левой стороне экрана (что выглядит нелепо в эпоху широкоформатных мониторов).

Поиск по сервису KEGG организован также качественно. Например, написать аббревиатуру LSD в поле поиска на главной странице достаточно, чтобы затем быстро найти искомый диэтиламид D-лизергиновой кислоты в разделе соединений (KEGG COMPOUND). Ещё одним ярким примером может служить болезнь Альцгеймера: запрос alzheimer приводит к «карточке» данного заболевания, на которой также приведена карта соответствующего пути.

На главной странице KEGG присутствуют ссылки на различные инструменты, например BLAST. Конечно, возможностей настройки результатов меньше, чем в оригинальном веб-интерфейсе BLAST, однако удобство использования от этого не пострадало. Например, после запуска BLASTN для части последовательности какого-то гена можно получить список идентификаторов генов, их описание, а также количество хитов (bits) и E-value. С карточки каждого гена можно перейти на соответствующие страницы других сервисов или разделов KEGG, содержащих информацию о найденном гене.

KEGG MEDICUS содержит информацию, связанную с исследованиями различных заболеваний, например составленную трёхмерную интерактивную карту соматических мутаций, связанных с раком. Подобные интерактивные карты могут быть наглядными и удобными в использовании, однако текущую реализацию такой карты следует, наверное, считать слабой относительно уровня развития современных веб-технологий.

На странице обзора карт метаболических путей приведены ссылки на карты путей, связанных с различными процессами. Не составляет труда найти искомую карту, например связанную с работой сплайсосомы.

Приятно, что KEGG предоставляет возможность пользоваться соответствующими API, которые при этом развиваются и обновляются вслед за нововведениями в KEGG.