التحقيق البروتين تسلسل-هيكل-ديناميات العلاقات مع Bio3D على شبكة الإنترنت
Summary
ويرد بروتوكول للتحقيق على الانترنت من العلاقات تسلسل البروتين هيكل ديناميات باستخدام Bio3D على شبكة الإنترنت.
Abstract
علينا أن نظهر استخدام Bio3D على شبكة الإنترنت للتحليل التفاعلي للبيانات هيكل الجزيئية الحيوية. يوفر تطبيق Bio3D على شبكة الإنترنت وظائف على الانترنت ل: (1) تحديد مجموعات هيكل البروتين ذات الصلة إلى عتبات المستخدم المحدد للتشابه. (2) محاذاة متعددة وهيكل تراكب. (3) تحليل الحفاظ على التسلسل والهيكل؛ (4) رسم خرائط العلاقة بين المتعامدين مع تحليل المكون الرئيسي، و (5) مقارنة الديناميات الداخلية المتوقعة عن طريق تحليل النمط العادي للمجموعة. توفر هذه الوظيفة المتكاملة سير العمل الكامل على الانترنت للتحقيق في العلاقات تسلسل هيكل ديناميكية داخل أسر البروتين والأسر الفائقة.
Introduction
يحتوي بنك البيانات البروتين (بدب) الآن أكثر من 120،000 هياكل البروتين – وكثير منها هي من نفس عائلة البروتين ولكن حلها في ظل ظروف تجريبية مختلفة. هذه الهياكل متعددة تمثل موردا لا يقدر بثمن لفهم تعقيدات شكل البروتين وظيفة. على سبيل المثال، المقارنة الصارمة بين هذه المجموعات هيكل يمكن أن تكشف عن الآليات الجزيئية الهامة 1 ، 2 ، 3 والإبلاغ عن ديناميات التوافق المشاركة في العمليات بما في ذلك ملزمة يجند، الأنزيمية الحفز والاعتراف ثنائي الجزيئي 4 ، 5 ، 6 ، 7 . ويمكن الحصول على رؤى جديدة في كثير من الأحيان من تحليل مفصل على نطاق واسع لتسلسل وهيكل وديناميات الأسر البروتين. ومع ذلك، فإن هذا يتطلب عادة بيوانف كبيرأورماتيكش والخبرة البرمجة الكمبيوتر جنبا إلى جنب مع الألفة مع أنظمة البروتين قيد الدراسة. على سبيل المثال، حزم البرمجيات مثل Bio3D، برودي و مافين تتطلب البرمجة في R، بيثون و ماتلاب، على التوالي 8 ، 9 ، 10 . على العكس من ذلك، أدوات الإنترنت لتحليل المرونة الهيكلية تقتصر عموما على التحقيق في الهياكل الفردية 11 ، 12 . والاستثناء في هذا الصدد هو خادم ويب نمم @ الذي تم تطويره مؤخرا، والذي يسمح بمقارنة أنماط المرونة التي تم الحصول عليها من تحليل الوضع الطبيعي (نما) للعديد من الهياكل المحددة مسبقا للمحترفين 13 . ومع ذلك، هذا الخادم يفتقر إلى إجراء الآلي لتحديد هياكل للمقارنة، ومواءمتها أو مزيد من التحليل وراء نما. آخر مساهمة الأخيرة هي قاعدة بيانات بدبفلكس على الانترنت، والذي يعرض قبل جتحليل أومبوتد من هياكل بدب تقاسم 95٪ أو أعلى تسلسل الهوية 14 . بيد أن تحليل مجموعات هيكلية أكثر تنوعا غير متوفر حاليا.
لقد قدمنا في وقت سابق Bio3D على شبكة الإنترنت – وسيلة سهلة لاستخدام تطبيق ويب لتحليل البروتين تسلسل هيكل ديناميكية العلاقات 15 . Bio3D على شبكة الإنترنت هي فريدة من نوعها في توفير سهلة الاستخدام وظيفة متكاملة لتحديد والمقارنة وتحليل مفصل من مجموعات هيكل مثلي كبير على الانترنت. هنا نقدم بروتوكول مفصل للتحقيق على الانترنت من تسلسل البروتين-هيكل-ديناميات العلاقة باستخدام Bio3D على شبكة الإنترنت. يوفر Bio3D على شبكة الإنترنت مجموعة متنوعة من الوظائف لدعم الخطوات الرئيسية الخمس لتحليل البيانات هو مبين في الشكل 1 ونوقشت بالتفصيل أدناه. وتشكل هذه الخطوات سير عمل يمتد من تسلسل الاستعلام أو مدخل الهيكل، من خلال مستويات متعددة من التحليل التسلسلي – الديناميكي، لتلخيصy جيل التقرير. النتائج متوفرة على الفور من خلال التصور واسعة في المتصفح وأجهزة التآمر، وكذلك من خلال تحميل ملفات النتيجة في الأشكال التي يشيع استخدامها. بالإضافة إلى سهولة الاستخدام واجهة ديناميكية لاستكشاف آثار المعلمة وخيارات الطريقة، Bio3D على شبكة الإنترنت أيضا يسجل إدخال المستخدم الكامل والنتائج الرسومية اللاحقة من جلسة المستخدم كتقرير قابل للتكرار قابلة للمشاركة في بدف، دوك و هتمل الأشكال. قد يتم حفظ جلسات المستخدم وإعادة تحميلها في أوقات المستقبل والنتائج كاملة تحميلها وتفسيرها من قبل حزمة Bio3D R على الجهاز المحلي للمستخدم.
يتم تشغيل Bio3D على شبكة الإنترنت من قبل حزمة Bio3D R لتحليل البنية الجزيئية الحيوية، تسلسل والبيانات المحاكاة الجزيئية 8 ، 16 . على وجه الخصوص، خوارزميات Bio3D لتحديد جامدة النواة 8 ، تراكب، تحليل المكون الرئيسي(PCA) 8 ، وتحليل الوضع الطبيعي للمجموعة (إنما) 16 تشكل أساس التطبيق. نحن أيضا الاستفادة من البروتوكولات Bio3D التي تعتمد على بمر 17 لتحديد هياكل البروتين ذات الصلة، و موسكل 18 لمحاذاة تسلسل متعددة. وتستمد شروح الهيكل والتسلسل من خلال المرافق Bio3D من قواعد البيانات رسسب بدب 19 و بفام 20 . يمكن تشغيل Bio3D على شبكة الإنترنت من خادم على شبكة الإنترنت أو تثبيت محليا على أي جهاز كمبيوتر يعمل R. Bio3D على شبكة الإنترنت مفتوح لجميع المستخدمين ويتم توفيرها مجانا تحت رخصة غل-3 مفتوحة المصدر من: هتب: // ثغرانتلاب. غزاله / bio3d / webapps
Protocol
Representative Results
Discussion
ويمكن استخدام Bio3D على شبكة الإنترنت لاستكشاف تفاعلي وخريطة الدول الهيكلية والدينامية والوظيفية للبروتينات من الهياكل البلورية المتاحة. وعلاوة على ذلك، يمكن لنتائج نما و يكا القائمة على تجميع، جنبا إلى جنب مع الشروح والتحليل القائم على تسلسل، تكون مفيدة بشكل خاص لاختيار الهياكل التمثيلية لمزيد من التحليل تستغرق وقتا طويلا مثل تجميع الجزئي جزيء صغير أو المحاكاة الديناميكية الجزيئية. ومن ثم، فإن نظام "بيو دي دي-ويب" يسهل التحليل الهيكلي للمعلوماتية الهيكلية المتقدم لمجموعة أوسع من الباحثين عن طريق الحد من المستوى المطلوب من الخبرة الفنية. التصميم الحالي ل Bio3D على شبكة الإنترنت يؤكد البساطة على إدراج شامل من العديد من أساليب التحليل المتاحة في حزمة Bio3D مستقل مستقل. في كثير من الحالات من المتوخى أن الباحثين سوف تستخدم Bio3D على شبكة الإنترنت لفهم الاتجاهات العامة في الأسرة البروتينية أو عظمى من الفائدة، والتي قد ثم إبلاغ تحليلات أكثر تخصصا. Bio3D على شبكة الإنترنت هوإعادة تصميمها لاستكشاف بسرعة مجموعات البيانات الهيكل الجزيئي الحيوي والعمل كأداة توليد الفرضية. ونحن نشجع المستخدمين على مواصلة استكشاف البيانات الخاصة بهم من خلال توفير مثال رمز Bio3D في تقرير استنساخه الذي يخزن أيضا جميع تفاصيل الاستعلام ونتائج التحليل.
في المثال المثال بروتوكول أعلاه، نعرض قدرة Bio3D على شبكة الإنترنت للكشف عن الميزات الهيكلية للتحولات التوافقية وظيفية من أدك. وتشمل التطبيقات الإضافية ل Bio3D على شبكة الإنترنت التحليل الهيكلي والديناميكي للهياكل بدب المحملة من قبل المستخدم. على سبيل المثال، يمكن للمستخدم تحميل هياكل جديدة أو في الواقع تسلسل البروتين للتحليل. يمكن لخطوات التحليل المذكورة آنفا، وخاصة خطوة إنما، أن تكشف عن الاتجاهات المحلية والعالمية في حركات البروتين، مع كون الاقتراحات الجماعية ذات أهمية وظيفية. المقارنة مع هياكل أبو يمكن أيضا الكشف عن خصائص غير منضم إلى التحولات التوافقية ملزمة. أمثلة إضافية للتطبيق علىيتم توفير مجموعة من الأسر البروتين المختلفة على الانترنت.
على الرغم من أن جميع البروتينات هي كيانات مرنة وحيوية، وليس كل البروتينات لديها هياكل القرار الذرية المتاحة في مجموعة من حالات مختلفة ( مثل الدول النشطة وغير النشطة). وجهة نظرنا من الفضاء بنية البروتين هو بالتالي واحدة محدودة، وبالتالي البصيرة التي تم الحصول عليها من أدوات مثل Bio3D على شبكة الإنترنت هو بالضرورة بالضرورة محدودة للبروتينات معينة. ومع ذلك، مع التقدم التكنولوجي الحالي والمبادرات الجديدة لعلم الجينوم الهيكلي والبروتوكول المقدمة هنا سوف تصبح على نحو متزايد طريقا هاما للحصول على نظرة ثاقبة العلاقات الهيكلية وظيفة هامة. وهناك خطوة حاسمة، وهي مهمة بشكل خاص عند تحليل البروتينات ذات الصلة أكثر بعيدة، هو احتمال ظهور أخطاء المحاذاة في علامة التبويب ألين. وسوف تحدث أخطاء المحاذاة حتما عندما ينخفض التشابه في التسلسل أقل من٪ 30 ويجب على المستخدم في مثل هذه الحالات التحقق من ضعف وتصحيح محاذاة التسلسلفي علامة التبويب ألين. ومن المحتمل أن تؤدي أخطاء المحاذاة إلى هياكل غير صحيحة مثبتة في علامة التبويب فيت، وتخفف أكثر الاختلافات التوافقية ذات الصلة بالنسبة إلى يكا اللاحقة. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون المستخدم على بينة من بقايا مفقودة في هياكل بدب المحدد كما هو الحال في يكا التنفيذ الحالي لا يمكن أن يؤديها إلا على بقايا البروتين الذي جميع الهياكل لديها ذرة الكربون ألفا المقابلة حلها. وبالتالي، إذا كان بدب المحدد يحتوي على بقايا لم يتم حلها لمنطقة معينة من البروتين سيتم حذف هذه المنطقة من يكا.
Bio3D على شبكة الإنترنت يقتصر حاليا على تحليل هياكل بدب سلسلة واحدة. وبالتالي، لا يمكن استكشاف الاقتراحات الوظيفية التي تحدث على المستوى الرباعي باستخدام البروتوكول الحالي. على الرغم من أننا حاليا تطوير خوارزميات جديدة لتشمل هذا التحليل في Bio3D على شبكة الإنترنت، والخيار الحالي الوحيد هو من خلال استخدام Bio3D التقليدية.
Bio3D على شبكة الإنترنت هو أبليكات فقط على الانترنتأيون الذي يجعل من الممكن الاستعلام وتحديد مجموعات الهيكل، وتفسير أنماطها من تسلسل والتباين الهيكلي، واستخراج المعلومات الآلية من كل من التحليل والتنبؤ اللدونة الهيكلية. وهناك مجموعة واسعة من أدوات التصور الجزيئي والخوادم على الانترنت تمكن الباحثين لاستكشاف وتحليل الهياكل البيولوجية الجزيئية الفردية. ومع ذلك، فإن الأدوات القائمة لتحليل تسلسل وهيكل وديناميات الأسر البروتينية غير المتجانسة الكبيرة غالبا ما تتطلب خبرة حاسوبية كبيرة وعادة ما تظل متاحة فقط للمستخدمين ذوي المهارات البرمجة ذات الصلة. على سبيل المثال، يتطلب حزمة Bio3D R 8 ، برودي يتطلب الثعبان و مافين يتطلب معرفة ماتلاب 9 ، 10 . بيو 3D على شبكة الإنترنت في المقابل لا يتطلب أي معرفة البرمجة وبالتالي يزيد من إمكانية الوصول ويقلل من حاجز الدخول لأداء تسلسل المقارنة المتقدمة، وهيكل و ديتحليل ناميكش. وعلاوة على ذلك، يتم تضمين إعداد، كرأيشن، الشرح وتنظيف الهياكل الجزيئية التي غالبا ما تكون ضرورية لتحليل كفاءة مع خدمة Bio3D على شبكة الإنترنت. بالإضافة إلى ذلك، يتم تخفيف القيود المفروضة على إجراء هذا التحليل على الموارد الحسابية قادرة من قبل مثيل خادمنا التي تمكن التحليل على نطاق واسع للعديد من الهياكل التي يمكن أن تبدأ والسيطرة عليها من أي متصفح ويب حديث.
التنمية المفتوحة لل Bio3D على شبكة الإنترنت هو مستمر (انظر https://bitbucket.org/Grantlab/bio3d). ونحن نواصل إضافة وظائف تحليل جديدة وتحسين الأساليب الحالية. سوف تركز التنمية المستقبلية على إضافة مصفوفة على أساس يكا و يكا التوائية، أكثر شمولا نهج المحافظة تسلسل التي تشمل عنصر النشوء والتطور، وتحديد موقع ملزمة مجموعة، ونهج جديدة لتحليل الشبكة الديناميكية عبر الأسر البروتين. في هذا الصدد يمثل تطبيق الويب الحالي نقطة البدايةt لكثير من سير العمل التحليلي الهيكلي بيوانفورماتيك الهيكلي الأخرى من خلال تمكين استنساخه وخطوات قابلة للمشاركة على مجموعات هيكل التجريبية التجريبية التي يحددها المستخدم. كما أننا نخطط لدعم المستقبل من مجموعات بيولوجية وحدة تنسيق إعادة بناؤها بالإضافة إلى سلاسل فردية ومتعددة من وحدة غير المتماثلة من هياكل بدب. وستشمل الميزات الإضافية تحسين الادخار وتحميل مساحات العمل التعاونية جنبا إلى جنب مع إمكانية التراجع.
Bio3D على شبكة الإنترنت هو تطبيق على الانترنت للتحليل التفاعلي للبيانات الهيكل الجزيئي الحيوي. Bio3D على شبكة الإنترنت يعمل على أي متصفح ويب الحديثة ويوفر وظائف ل: (1) تحديد مجموعات البروتين ذات الصلة إلى عتبات المستخدم المحدد من التشابه. (2) محاذاة متعددة وهيكل تراكب. (3) تحليل الحفاظ على التسلسل والهيكل؛ (4) رسم خريطة العلاقة بين المتعامدين مع تحليل المكون الرئيسي، و (5) مقارنة الديناميات الداخلية المتوقعة عبر الفرقة ولاتحليل وضع المال. توفر هذه الوظيفة المتكاملة سير العمل الكامل للتحقيق في العلاقات تسلسل هيكل ديناميكية داخل أسر البروتين والأسر الفائقة. بالإضافة إلى سهولة الاستخدام واجهة ديناميكية لاستكشاف آثار المعلمة وخيارات الطريقة، Bio3D على شبكة الإنترنت أيضا يسجل إدخال المستخدم الكامل والنتائج الرسومية اللاحقة لدورة المستخدم. وهذا يسمح للمستخدمين بسهولة مشاركة وإعادة إنتاج تسلسل خطوات التحليل التي خلقت نتائجها.يتم تنفيذ Bio3D على شبكة الإنترنت تماما في اللغة R ويستند على Bio3D وحزم R لامعة. ويمكن تشغيله من خادمنا عبر الإنترنت أو تثبيته محليا على أي جهاز كمبيوتر قيد التشغيل R. ويشمل ذلك تركيب الخادم المحلي لتوفير مثيل مستخدم متعدد مخصص مع إمكانية الوصول إلى مجموعات البيانات الهيكلية ذات الأولوية مثل تلك الشائعة في صناعة المستحضرات الصيدلانية. يتم توفير شفرة المصدر الكامل والوثائق واسعة النطاق تحت رخصة غل-3 مفتوحة المصدر من: http://thegrantlab.org/ bio3d / webapps
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر الدكتور غويدو سكارابيلي وهونجيانغ لي لاختبار واسعة في جميع أنحاء التنمية وكذلك المجتمع المستخدم Bio3D وجامعة بيرغن الهيكلية المشاركين في المعلوماتية الحيوية للمعلومات عن ردود الفعل والتعليقات التي تحسنت هذا التطبيق.
Materials
| Bio3D-web | |||
| Web-site | http://thegrantlab.org/bio3d-web/ | ||
| Requirements | Web browser |
References
- Kornev, A. P., Taylor, S. S. Dynamics-Driven Allostery in Protein Kinases. Trends Biochem. Sci. 40 (11), 628-647 (2015).
- Yao, X. -. Q., Grant, B. J. Domain-opening and dynamic coupling in the α-subunit of heterotrimeric G proteins. Biophys. J. 105 (2), L08-L10 (2013).
- Henzler-Wildman, K. A., et al. Intrinsic motions along an enzymatic reaction trajectory. Nature. 450 (7171), 838-844 (2007).
- Boehr, D., Nussinov, R., Wright, P. The role of dynamic conformational ensembles in biomolecular recognition. Nat. Chem. Biol. 5 (11), 789-796 (2009).
- Teilum, K., Olsen, J. G., Kragelund, B. B. Functional aspects of protein flexibility. Cell Mol Life Sci. 66 (14), 2231-2247 (2009).
- Henzler-Wildman, K., Kern, D. Dynamic personalities of proteins. Nature. 450 (7172), 964-972 (2007).
- Grant, B. J., Gorfe, A. A., McCammon, J. A. Large conformational changes in proteins: signaling and other functions. Curr. Opin. Struct. Biol. 20 (2), 142-147 (2010).
- Grant, B. J., Rodrigues, A. P. C., ElSawy, K. M., McCammon, J. A., Caves, L. S. D. Bio3d: an R package for the comparative analysis of protein structures. Bioinformatics. 22 (21), 2695-2696 (2006).
- Bakan, A., Meireles, L. M., Bahar, I. ProDy: protein dynamics inferred from theory and experiments. Bioinformatics. 27 (11), 1575-1577 (2011).
- Zimmermann, M. T., Kloczkowski, A., Jernigan, R. L. MAVENs: motion analysis and visualization of elastic networks and structural ensembles. BMC Bioinformatics. 12 (1), 264 (2011).
- Yang, L. -. W., et al. oGNM: online computation of structural dynamics using the Gaussian Network Model. Nucleic Acids Res. 34, 24-31 (2006).
- Suhre, K., Sanejouand, Y. -. H. ElNemo: a normal mode web server for protein movement analysis and the generation of templates for molecular replacement. Nucleic Acids Res. 32, W610-W614 (2004).
- Tiwari, S. P., et al. WEBnm@ v2.0: Web server and services for comparing protein flexibility. BMC Bioinformatics. 15 (1), 427 (2014).
- Hrabe, T., et al. PDBFlex: exploring flexibility in protein structures. Nucleic Acids Res. 44, D423-D428 (2016).
- Skjærven, L., Jariwala, S., Yao, X. -. Q., Grant, B. J. Online interactive analysis of protein structure ensembles with Bio3D-web. Bioinformatics. , (2016).
- Skjærven, L., Yao, X., Scarabelli, G., Grant, B. J. Integrating protein structural dynamics and evolutionary analysis with Bio3D. BMC Bioinformatics. 15 (399), 1-11 (2014).
- Eddy, S. R. Accelerated Profile HMM Searches. PLoS Comput. Biol. 7 (10), (2011).
- Edgar, R. C. MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res. 32 (5), 1792-1797 (2004).
- Berman, H. M. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Res. 28 (1), 235-242 (2000).
- Finn, R. D., et al. Pfam: the protein families database. Nucleic Acids Res. 42, D222-D230 (2014).
- Kerns, S. J., et al. The energy landscape of adenylate kinase during catalysis. Nat. Struct. Mol. Biol. 22 (2), 124-131 (2015).
