กรอบอ่านหนังสือแบบเปิด

ในชีววิทยาระดับโมเลกุลกรอบการอ่าน (reading frames)ถูกกำหนดให้เป็นช่วงของ ลำดับ ดีเอ็นเอระหว่างรหัสเริ่มต้นและรหัส หยุด โดยปกติแล้ว จะพิจารณาภายในบริเวณที่ศึกษาของลำดับดีเอ็นเอของโปรคาริโอต ซึ่งจะมีเพียงหนึ่งใน หกกรอบการอ่านที่เป็นไปได้ เท่านั้น ที่จะ "เปิด" (อย่างไรก็ตาม "การอ่าน" หมายถึงอาร์เอ็นเอที่ผลิตขึ้นจากการถอดรหัสดีเอ็นเอและการโต้ตอบกับไรโบโซมในการแปล ) กรอบการอ่านที่เปิดอยู่ (ORF) อาจ[ 1 ]มีรหัสเริ่มต้น (โดยปกติคือ AUG ในแง่ของอาร์เอ็นเอ ) และตามคำจำกัดความแล้วไม่สามารถขยายเกินรหัสหยุด (โดยปกติคือ UAA, UAG หรือ UGA ในอาร์เอ็นเอ) [ 2 ]รหัสเริ่มต้นนั้น (ไม่จำเป็นต้องเป็นรหัสแรก) บ่งชี้ว่าการแปลอาจเริ่มต้นที่ใด ตำแหน่ง การสิ้นสุดการถอดรหัส จะอยู่หลัง ORF เลยรหัสหยุดการแปลไป หากการถอดรหัสหยุดลงก่อนรหัสหยุด โปรตีนที่ไม่สมบูรณ์จะถูกสร้างขึ้นในระหว่างการแปล[ 3 ]
ในยีนยูคาริโอต ที่มีเอ็กซอน หลายตัว อินทรอนจะถูกกำจัดออกไป จากนั้นเอ็กซอนจะถูกรวมเข้าด้วยกันหลังจากการถอดรหัสเพื่อให้ได้mRNA สุดท้าย สำหรับการแปลโปรตีน ในบริบทของการค้นหายีนคำจำกัดความแบบเริ่มต้น-หยุดของ ORF จึงใช้ได้เฉพาะกับmRNA ที่ถูกตัดต่อ เท่านั้น ไม่ใช่ DNA จีโนม เนื่องจากอินทรอนอาจมีรหัสหยุดและ/หรือทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระหว่างเฟรมการอ่าน คำจำกัดความทางเลือกกล่าวว่า ORF คือลำดับที่มีความยาวหารด้วยสามลงตัวและถูกล้อมรอบด้วยรหัสหยุด[ 1 ] [ 4 ]คำจำกัดความทั่วไปนี้อาจมีประโยชน์ในบริบทของทรานสคริปโตมิกส์และเมตาจีโนมิกส์ซึ่งอาจไม่มีรหัสเริ่มต้นหรือรหัสหยุดอยู่ในลำดับที่ได้รับ ORF ดังกล่าวสอดคล้องกับส่วนต่างๆ ของยีนมากกว่ายีนทั้งหมด
ความสำคัญทางชีววิทยา
การใช้เฟรมการอ่านแบบเปิด (ORF) ที่พบได้ทั่วไปอย่างหนึ่งคือการใช้เป็นหลักฐานชิ้นหนึ่งเพื่อช่วยในการทำนายยีน ORF ที่ยาวมักถูกใช้ร่วมกับหลักฐานอื่นๆ เพื่อระบุ บริเวณ ที่เข้ารหัสโปรตีนหรือ บริเวณ ที่เข้ารหัส RNA ที่มีฟังก์ชันในลำดับDNA ในเบื้องต้น [ 5 ]การมีอยู่ของ ORF ไม่ได้หมายความว่าบริเวณนั้นจะถูกแปล เสมอ ไป ตัวอย่างเช่น ในลำดับ DNA ที่สร้างขึ้นแบบสุ่มโดยมีเปอร์เซ็นต์ของนิวคลีโอไทด์ แต่ละตัวเท่ากัน จะคาดว่าจะพบ รหัสหยุดทุกๆ 21 รหัส[ 5 ] อัลกอริทึมการทำนายยีนแบบง่ายสำหรับโปรคาริโอตอาจมองหารหัสเริ่มต้นตามด้วยเฟรมการอ่านแบบเปิดที่ยาวพอที่จะเข้ารหัสโปรตีนทั่วไป โดยที่การใช้รหัสของบริเวณนั้นตรงกับความถี่ที่เป็นลักษณะเฉพาะของบริเวณการเข้ารหัสของสิ่งมีชีวิตที่กำหนด[ 5 ]ดังนั้น ผู้เขียนบางคนจึงกล่าวว่า ORF ควรมีความยาวขั้นต่ำ เช่น 100 รหัส[ 6 ]หรือ 150 รหัส[ 5 ] แม้แต่กรอบการ อ่านแบบเปิดที่ยาวเพียงอย่างเดียวก็ไม่ใช่หลักฐานที่แน่ชัดสำหรับการมีอยู่ของยีน [ 5 ]
กรอบการอ่านแบบเปิดขนาดสั้น
กรอบการอ่านแบบเปิดสั้น (sORF) บางส่วน[ 7 ]หรือที่รู้จักกันในชื่อกรอบการอ่านแบบเปิดขนาดเล็ก (smORF) [ 8 ]ซึ่งโดยทั่วไปมีความยาวน้อยกว่า 100 โคดอน[ 9 ]ที่ไม่มีลักษณะเด่นแบบคลาสสิกของยีนที่เข้ารหัสโปรตีน (ทั้งจาก ncRNA และ mRNA) สามารถสร้างเปปไทด์ ที่มีฟังก์ชัน ได้[ 10 ]พวกมันเข้ารหัสไมโครโปรตีนหรือโปรตีนที่เข้ารหัสโดย sORF (SEP) 5'-UTRของ mRNA ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประมาณ 50% มี sORF หนึ่งตัวหรือหลายตัว[ 11 ]หรือที่เรียกว่าORF ต้นน้ำ (uORF) อย่างไรก็ตาม น้อยกว่า 10% ของ mRNA ของสัตว์มีกระดูกสันหลังที่สำรวจในการศึกษาปี 1994 มีโคดอน AUG อยู่หน้า ORF หลัก พบ uORF ในโปรโตออนโคยีนและโปรตีนที่เกี่ยวข้องสองในสาม[ 12 ] 64–75% ของตำแหน่งเริ่มต้นการแปลที่ค้นพบจากการทดลองของ sORF นั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้ในจีโนมของมนุษย์และหนู และอาจบ่งชี้ว่าองค์ประกอบเหล่านี้มีหน้าที่[ 13 ]อย่างไรก็ตาม sORF มักพบได้เฉพาะในรูปแบบย่อยของ mRNA และหลีกเลี่ยงการคัดเลือก การอนุรักษ์ตำแหน่งเริ่มต้นที่สูงอาจเชื่อมโยงกับตำแหน่งของพวกมันภายในโปรโมเตอร์ของยีนที่เกี่ยวข้อง นี่เป็นลักษณะเฉพาะของ ยีน SLAMF1เป็นต้น[ 14 ]
การแปลหกเฟรม
เนื่องจาก DNA ถูกตีความในกลุ่มของนิวคลีโอไทด์สามตัว (โคดอน) สาย DNA จึงมีเฟรมการอ่านที่แตกต่างกันสามเฟรม[ 15 ]เกลียวคู่ของโมเลกุล DNA มีสายคู่ขนานสองสาย โดยแต่ละสายมีเฟรมการอ่านสามเฟรม ทำให้มีการแปลเฟรมที่เป็นไปได้หกแบบ[ 15 ]

ซอฟต์แวร์
เครื่องหา
ORF Finder (Open Reading Frame Finder) [ 16 ]เป็นเครื่องมือวิเคราะห์กราฟิกที่ค้นหาเฟรมการอ่านแบบเปิดทั้งหมดที่มีขนาดขั้นต่ำที่เลือกได้ในลำดับของผู้ใช้หรือในลำดับที่มีอยู่แล้วในฐานข้อมูล เครื่องมือนี้ระบุเฟรมการอ่านแบบเปิดทั้งหมดโดยใช้รหัสพันธุกรรมมาตรฐานหรือทางเลือก ลำดับกรดอะมิโนที่อนุมานได้สามารถบันทึกในรูปแบบต่างๆ และค้นหากับฐานข้อมูลลำดับโดยใช้ เซิร์ฟเวอร์ เครื่องมือค้นหาการจัดเรียงตำแหน่งพื้นฐาน (BLAST) ORF Finder ควรเป็นประโยชน์ในการเตรียมการส่งลำดับที่สมบูรณ์และถูกต้อง นอกจากนี้ยังรวมอยู่ในซอฟต์แวร์การส่งลำดับ Sequin (ตัววิเคราะห์ลำดับ) ด้วย
นักสืบ
ORF Investigator [ 17 ]เป็นโปรแกรมที่ไม่เพียงแต่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับลำดับการเข้ารหัสและลำดับที่ไม่เข้ารหัสเท่านั้น แต่ยังสามารถทำการจัดเรียงแบบทั่วโลกแบบคู่ระหว่างลำดับของยีน/บริเวณ DNA ที่แตกต่างกันได้อีกด้วย เครื่องมือนี้ค้นหา ORF สำหรับลำดับกรดอะมิโนที่สอดคล้องกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ และแปลงเป็นรหัสกรดอะมิโนตัวอักษรเดี่ยว พร้อมทั้งระบุตำแหน่งในลำดับ การจัดเรียงแบบทั่วโลกแบบคู่ระหว่างลำดับทำให้สะดวกในการตรวจจับการกลายพันธุ์ต่างๆ รวมถึง โพลีมอร์ฟิ ซึมของนิวคลีโอไทด์เดี่ยว อัลกอริทึม Needleman–Wunschใช้สำหรับการจัดเรียงยีน ORF Investigator เขียนด้วยภาษาโปรแกรมPerl แบบพกพา ดังนั้นจึงสามารถใช้งานได้กับผู้ใช้ระบบปฏิบัติการทั่วไปทั้งหมด
ตัวทำนาย
OrfPredictor [ 18 ]เป็นเว็บเซิร์ฟเวอร์ที่ออกแบบมาเพื่อระบุบริเวณที่เข้ารหัสโปรตีนในลำดับที่ได้จากแท็กแสดงลำดับ (EST) สำหรับลำดับแบบสอบถามที่มีผลลัพธ์ตรงกันใน BLASTX โปรแกรมจะทำนายบริเวณที่เข้ารหัสโดยอิงจากเฟรมการอ่านการแปลที่ระบุในการจัดเรียง BLASTX มิฉะนั้น จะทำนายบริเวณที่เข้ารหัสที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดโดยอิงจากสัญญาณภายในของลำดับแบบสอบถาม ผลลัพธ์คือลำดับเปปไทด์ที่ทำนายได้ในรูปแบบ FASTAและบรรทัดคำจำกัดความที่รวมถึงรหัสแบบสอบถาม เฟรมการอ่านการแปล และตำแหน่งนิวคลีโอไทด์ที่บริเวณที่เข้ารหัสเริ่มต้นและสิ้นสุด OrfPredictor ช่วยอำนวยความสะดวกในการระบุคำอธิบายประกอบของลำดับที่ได้จาก EST โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการ EST ขนาดใหญ่
ORF Predictor ใช้การผสมผสานของคำจำกัดความ ORF สองแบบที่กล่าวถึงข้างต้น โดยจะค้นหาช่วงที่เริ่มต้นด้วยรหัสเริ่มต้นและสิ้นสุดที่รหัสหยุด นอกจากนี้ ยังค้นหารหัสหยุดในบริเวณที่ไม่ได้รับการแปล 5' (UTR หรือ NTR, บริเวณที่ไม่ได้รับการแปล[ 19 ] ) เซิร์ฟเวอร์เว็บ OrfPredictor ไม่ได้รับการสนับสนุนเพิ่มเติม แต่สามารถดาวน์โหลดเครื่องมือ OrfPredictor แบบสแตนด์อโลนได้จากเว็บไซต์ต่อไปนี้ ( http://bioinformatics.ysu.edu/publication/tools_download/ )
ออร์ฟิก
ORFik เป็นแพ็กเกจ R ใน Bioconductor สำหรับการค้นหาเฟรมการอ่านแบบเปิดและการใช้เทคโนโลยีการจัดลำดับรุ่นต่อไปเพื่อพิสูจน์ ORF [ 20 ] [ 21 ]
ออร์ฟิปี้
orfipy เป็นเครื่องมือที่เขียนด้วยPython / Cythonเพื่อแยก ORF ในลักษณะที่รวดเร็วและยืดหยุ่นอย่างมาก[ 22 ] orfipy สามารถทำงานกับลำดับ FASTA และ FASTQ แบบธรรมดาหรือแบบบีบอัดด้วย gzip และมีตัวเลือกหลายอย่างในการปรับแต่งการค้นหา ORF ซึ่งรวมถึงการระบุโคดอนเริ่มต้นและโคดอนหยุด การรายงาน ORF บางส่วน และการใช้ตารางการแปลแบบกำหนดเอง ผลลัพธ์สามารถบันทึกได้หลายรูปแบบ รวมถึงรูปแบบ BED ที่ประหยัดพื้นที่ orfipy ทำงานได้เร็วกว่าเป็นพิเศษสำหรับข้อมูลที่มีลำดับ FASTA ขนาดเล็กหลายลำดับ เช่น การประกอบทรานสคริปโตมแบบ de-novo [ 23 ]
ดูเพิ่มเติม
- พื้นที่การเข้ารหัส
- ยีนที่สันนิษฐาน
- Sequerome – เครื่องมือวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอที่เชื่อมโยงข้อมูลBLAST แต่ละรายการเข้ากับ ORF ของ NCBIทำให้สามารถวิเคราะห์ ORF ของรายงาน BLAST ได้อย่างสมบูรณ์
- ไมโครเปปไทด์
- เปปไทด์อิน
ลิงก์ภายนอก
- เอกสารการแปลและกรอบการอ่านแบบเปิด (Open Reading Frames) ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 6 เมษายน 2554 ที่Wayback Machine
- hORFeome V5.1 - เครื่องมือแบบโต้ตอบบนเว็บสำหรับชุดข้อมูลออร์ฟีโอมของมนุษย์ CCSB
- ORF Marker - เครื่องมือ GUI บนเดสก์ท็อปที่ใช้งานได้ฟรี รวดเร็ว และรองรับหลายแพลตฟอร์ม สำหรับการทำนายและวิเคราะห์ ORF
- StarORF - เครื่องมือ GUI ที่ใช้งานได้บนหลายแพลตฟอร์มและใช้ภาษา Java สำหรับทำนายและวิเคราะห์ ORF และหาลำดับนิวคลีโอไทด์แบบผกผัน
- ORFPredictor ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 22 ธันวาคม 2015 ที่Wayback Machine - เว็บเซิร์ฟเวอร์ที่ออกแบบมาเพื่อทำนาย ORF และแปลลำดับ EST หรือ cDNA จำนวนมาก