Demostración de la alineación de secuencias para predecir la susceptibilidad entre especies herramienta para una evaluación rápida de la conservación de proteínas
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para utilizar la última versión de la herramienta de alineación de secuencias de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos para predecir la susceptibilidad a través de especies (SeqAPASS). Este protocolo demuestra la aplicación de la herramienta en línea para analizar rápidamente la conservación de proteínas y proporcionar predicciones personalizables y fácilmente interpretables de susceptibilidad química en todas las especies.
Abstract
La herramienta Sequence Alignment to Predict Across Species Susceptibility (SeqAPASS) de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos es una aplicación de detección en línea rápida y disponible gratuitamente que permite a los investigadores y reguladores extrapolar información de toxicidad entre especies. Para objetivos biológicos en sistemas modelo como células humanas, ratones, ratas y peces cebra, los datos de toxicidad están disponibles para una variedad de productos químicos. A través de la evaluación de la conservación de objetivos proteicos, esta herramienta se puede utilizar para extrapolar los datos generados a partir de dichos sistemas modelo a miles de otras especies que carecen de datos de toxicidad, lo que produce predicciones de susceptibilidad química intrínseca relativa. Las últimas versiones de la herramienta (versiones 2.0-6.1) han incorporado nuevas características que permiten la rápida síntesis, interpretación y uso de los datos para la publicación más gráficos de calidad de presentación.
Entre estas características se encuentran visualizaciones de datos personalizables y un informe de resumen completo diseñado para resumir los datos de SeqAPASS para facilitar la interpretación. Este documento describe el protocolo para guiar a los usuarios a través del envío de trabajos, la navegación por los diversos niveles de comparaciones de secuencias de proteínas y la interpretación y visualización de los datos resultantes. Se destacan las nuevas características de SeqAPASS v2.0-6.0. Además, se describen dos casos de uso centrados en la conservación de proteínas transtiretinas y receptoras opioides utilizando esta herramienta. Finalmente, se discuten las fortalezas y limitaciones de SeqAPASS para definir el dominio de aplicabilidad de la herramienta y resaltar diferentes aplicaciones para la extrapolación entre especies.
Introduction
Tradicionalmente, el campo de la toxicología se ha basado en gran medida en el uso de pruebas con animales enteros para proporcionar los datos necesarios para las evaluaciones de seguridad química. Tales métodos suelen ser costosos y requieren muchos recursos. Sin embargo, debido al gran número de productos químicos utilizados actualmente y al rápido ritmo al que se están desarrollando nuevos productos químicos, a nivel mundial existe una necesidad reconocida de métodos más eficientes de detección química 1,2. Esta necesidad y el cambio de paradigma resultante de las pruebas con animales ha llevado al desarrollo de muchos métodos de enfoque nuevos, incluidos los ensayos de detección de alto rendimiento, la transcriptómica de alto rendimiento, la secuenciación de próxima generación y el modelado computacional, que son estrategias de prueba alternativas prometedoras 3,4.
La evaluación de la seguridad química en toda la diversidad de especies potencialmente afectadas por las exposiciones químicas ha sido un desafío permanente, no solo con las pruebas de toxicidad tradicionales, sino también con los nuevos métodos de enfoque. Los avances en toxicología comparativa y predictiva han proporcionado marcos para comprender la sensibilidad relativa de diferentes especies, y los avances tecnológicos en métodos computacionales continúan aumentando la aplicabilidad de estos métodos. En la última década se han discutido varias estrategias que aprovechan las bases de datos existentes de secuencias de genes y proteínas, junto con el conocimiento de objetivos moleculares químicos específicos, para apoyar los enfoques predictivos para la extrapolación entre especies y mejorar las evaluaciones de seguridad química más allá de los organismos modelo típicos 5,6,7,8.
Para avanzar en la ciencia hacia la acción, construir sobre estos estudios fundamentales en toxicología predictiva, priorizar los esfuerzos de pruebas químicas y apoyar la toma de decisiones, se creó la herramienta de alineación de secuencias de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos para predecir la susceptibilidad entre especies (SeqAPASS). Esta herramienta es una aplicación basada en la web pública y de libre acceso que utiliza repositorios públicos de información de secuencias de proteínas en constante expansión para predecir la susceptibilidad química en la diversidad de especies9. Basándose en el principio de que la susceptibilidad intrínseca relativa de una especie a una sustancia química en particular puede determinarse evaluando la conservación de las dianas proteicas conocidas de esa sustancia química, esta herramienta compara rápidamente las secuencias de aminoácidos proteicos de una especie con sensibilidad conocida a todas las especies con los datos de secuencias de proteínas existentes. Esta evaluación se completa a través de tres niveles de análisis, que incluyen (1) secuencia primaria de aminoácidos, (2) dominio funcional y (3) comparaciones de residuos críticos de aminoácidos, cada uno de los cuales requiere un conocimiento más profundo de la interacción químico-proteína y proporciona una mayor resolución taxonómica en la predicción de susceptibilidad. Una fortaleza importante de SeqAPASS es que los usuarios pueden personalizar y refinar su evaluación agregando líneas adicionales de evidencia hacia la conservación del objetivo en función de la cantidad de información disponible sobre la interacción químico-proteína o proteína-proteína de interés.
La primera versión se lanzó en 2016, que permitió a los usuarios evaluar secuencias de aminoácidos primarios y dominios funcionales de manera simplificada para predecir la susceptibilidad química y contenía capacidades mínimas de visualización de datos (Tabla 1). Se ha demostrado que las diferencias individuales de aminoácidos son determinantes importantes de las diferencias entre especies en las interacciones químico-proteicas, que pueden afectar la susceptibilidad química de las especies10,11,12. Por lo tanto, las versiones posteriores fueron desarrolladas para considerar los aminoácidos críticos que son importantes para la interacción química directa13. En respuesta a los comentarios de las partes interesadas y los usuarios, esta herramienta ha sido lanzada anualmente con nuevas características adicionales diseñadas para satisfacer las necesidades tanto de los investigadores como de las comunidades reguladoras para abordar los desafíos en la extrapolación entre especies (Tabla 1). El lanzamiento de SeqAPASS versión 5.0 en 2020 trajo características centradas en el usuario que incorporan opciones de visualización y síntesis de datos, enlaces externos, opciones de tabla de resumen e informe y características gráficas. En general, los nuevos atributos y capacidades de esta versión mejoraron la síntesis de datos, la interoperabilidad entre bases de datos externas y la facilidad de interpretación de datos para las predicciones de susceptibilidad entre especies.
Protocol
Representative Results
Discussion
Existe un reconocimiento generalizado de que no es factible probar empíricamente suficientes especies para capturar la diversidad genómica, fenotípica, fisiológica y de comportamiento de los organismos vivos que pueden estar expuestos a productos químicos de interés toxicológico. El objetivo de SeqAPASS es maximizar el uso de la secuencia de proteínas existente y en continua expansión y los datos estructurales para ayudar e informar la extrapolación de datos / conocimientos de toxicidad química de organismos p…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen al Dr. Daniel L. Villeneuve (U.S. EPA, Center for Computational Toxicology and Exposure) y al Dr. Jon A. Doering (Departamento de Ciencias Ambientales, Louisiana State University) por proporcionar comentarios sobre un borrador anterior del manuscrito. Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Las opiniones expresadas en este documento son las de los autores y no reflejan necesariamente las opiniones o políticas de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, ni la mención de nombres comerciales o productos comerciales indica respaldo por parte del gobierno federal.
Materials
| Spreadsheet program | N/A | N/A | Any program that can be used to view and work with csv files (e.g. Microsoft Excel, OpenOffice Calc, Google Docs) can be used to access data export files. |
| Basic computing setup and internet access | N/A | N/A | SeqAPASS is a free, online tool that can be easily used via an internet connection. No software downloads are required. |
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