Bio3D-web ile Protein Dizisi-yapı-dinamikleri İlişkilerinin İncelenmesi
Summary
Bio3D-web kullanılarak protein dizisi-yapı-dinamikleri ilişkilerinin çevrimiçi incelenmesi için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Biyomoleküler yapı verilerinin etkileşimli analizi için Bio3D-web kullanımını gösteriyoruz. Bio3D-web uygulaması, aşağıdakiler için çevrimiçi işlevsellik sağlar: (1) İlgili protein yapısının belirlenmesi, kullanıcıya belirtilen benzerlik eşiklerine ayarlanır; (2) Çoklu hizalama ve yapı üst üste binme; (3) Dizinin ve yapıların korunum analizi; (4) Temel bileşen analizi ile inter-konformer ilişki haritalama ve (5) topluluk normal mod analizi yoluyla öngörülen iç dinamiklerin karşılaştırılması. Bu entegre işlevsellik, protein aileleri ve süper aileler arasındaki sekans yapısı-dinamik ilişkileri araştırmak için eksiksiz bir çevrimiçi iş akışı sağlar.
Introduction
Protein veri bankası (PDB) şu anda 120.000'den fazla protein yapısı içeriyor – bunların çoğu aynı protein ailesindendir ancak farklı deney koşulları altında çözülmüştür. Bu çoklu yapılar protein formunun ve işlevinin karmaşıklığını anlamak için paha biçilemez bir kaynaktır. Örneğin, bu yapı topluluklarının titiz karşılaştırması, önemli moleküler mekanizmalar 1 , 2 , 3'ü açığa çıkarabilir ve ligand bağlama, enzimatik kataliz ve bi-moleküler tanıma 4 , 5 , 6 , 7 dahil süreçlerle ilgili konformasyonal dinamikler hakkında bilgi verebilir. Yeni görüşler, sıklıkla protein ailelerinin dizilişinin, yapısının ve dinamiklerinin ayrıntılı geniş ölçekli analizinden elde edilebilir. Bununla birlikte, bu genellikle büyük bioinf gerektirirOrmatik ve bilgisayar programlama uzmanlığı ile birlikte çalışılan protein sistemleri ile aşinalık. Örneğin, Bio3D, ProDy ve Maven gibi yazılım paketleri sırasıyla 8 , 9 , 10 numaralı R, python ve Matlab programlamalarını gerektirir. Tersine, yapısal esneklik analizi için çevrimiçi araçlar genellikle bireysel yapılar 11 soruşturma, 12 ile sınırlıdır. Bu bağlamda bir istisna, yakın geçmişte geliştirilmiş WebNM @ sunucusudur ve önceden belirlenmiş birkaç kullanıcı tarafından belirlenen yapıların normal mod analizi (NMA) 'ndan elde edilen esneklik kalıplarının karşılaştırılmasına izin verir 13 . Bununla birlikte, bu sunucu, karşılaştırma için yapıların tanımlanması için otomatik bir prosedürden yoksundur, bunların hizalanması veya NMA'nın ötesinde analizi. Yakın bir diğer katkı, çevrimiçi PDBFlex veritabanında ön-c% 95 veya daha fazla dizi kimliği paylaşan PDB yapılarının omputed analizi 14 . Bununla birlikte, daha çeşitli yapı kümelerinin analizi şu anda mevcut değildir.
Daha önce Bio3D-web sunmuşlardır – kolay bir protein dizi-yapı-dinamik ilişkiler 15 analizi için web uygulaması kullanmak. Bio3D-web, büyük homolog yapı gruplarının çevrimiçi tanımlanması, karşılaştırılması ve detaylı analizi için kullanımı kolay entegre işlevsellik sağlamada benzersizdir. Burada, Bio3D-web kullanılarak protein dizisi-yapısal-dinamik ilişkisinin çevrimiçi incelenmesi için ayrıntılı bir protokol sunmaktayız. Bio3D-web, Şekil 1'de gösterilen ve aşağıda detaylı olarak tartışılan beş büyük veri analiz aşamasını desteklemek için çeşitli işlevler sunmaktadır. Bu adımlar, sorgu diziliminden veya yapı girdisinden, çoklu düzey dizisi yapısı-dinamik çözümlemeden, özet akışına kadar uzanan bir iş akışı oluştururRapor oluşturma. Sonuçlar, kapsamlı tarayıcı içi görselleştirme ve çizim cihazlarıyla yanı sıra, yaygın olarak kullanılan formatlarda sonuç dosyalarını indirerek kullanılabilir. Bio3D-web, parametre ve yöntem seçeneklerinin etkilerini keşfetmek için kullanışlı bir dinamik arayüze ek olarak kullanıcı oturumunun tamamındaki kullanıcı girişini ve sonraki grafik sonuçlarını, PDF, DOC ve HTML formatlarında paylaşılabilir bir tekrarlanabilir rapor olarak kaydeder. Kullanıcı oturumları gelecek zamanlarda kaydedilebilir ve yeniden yüklenebilir ve sonuçların indirilmesi ve bir kullanıcının yerel makinesinde Bio3D R paketi tarafından daha fazla yorumlanması sağlanabilir.
Bio3D-web, biyomoleküler yapı, sekans ve moleküler simülasyon verilerini analiz etmek için Bio3D R paketiyle güçlendirilmiştir 8 , 16 . Özellikle, katı-çekirdek tanımlama için Bio3D algoritmaları 8 , süperpozisyon, ana bileşen analizi(PCA) 8 ve topluluk normal mod analizi (eNMA) 16 uygulaması temelini oluşturmaktadır. Ayrıca çoklu dizi hizalama için ilgili protein yapılarının tanımlanması ve kas 18 için pHMMER 17 bağlıdır Bio3D protokollerini kullanmaktadır. Yapı ve sekans açıklamaları, RCSB PDB 19 ve PFAM veritabanlarından 20 Bio3D araçları kullanılarak türetilir. Bio3D-web çevrimiçi sunucumuzdan çalıştırılabilir veya yerel olarak R çalıştıran herhangi bir bilgisayara yüklenebilir. Bio3D-web tüm kullanıcılara açıktır ve http: // thegrantlab adresinden bir GPL-3 açık kaynak lisansıyla ücretsiz olarak sağlanır. org / bio3d / webapps
Protocol
Representative Results
Discussion
Bio3D-web mevcut kristalografik yapılardan proteinlerin yapısal, dinamik ve fonksiyonel durumlarını interaktif olarak keşfetmek ve haritalamak için kullanılabilir. Ayrıca, NMA ve PCA tabanlı kümeleme sonuçları, ek açıklamalar ve dizi temelli analiz ile birlikte, topluluk küçük molekül yerleştirme veya moleküler dinamik simülasyonları gibi daha zaman alan analizler için temsili yapıları seçmek için özellikle yararlı olabilir. Bio3D-web, gerekli teknik uzmanlık seviyesini azaltarak daha geniş bir araştırmacı aralığı için gelişmiş yapısal biyoenformatik analizini kolaylaştırır. Bio3D-web'in mevcut tasarımı, bağımsız bağımsız Bio3D paketinde bulunan birçok analiz yönteminin kapsamlı bir şekilde dahil edilmesindeki basitliği vurgular. Çoğu durumda, araştırmacıların, daha özel analizleri bildirebilecekleri, protein ailesindeki veya aile üstü sü- rümündeki genel eğilimleri anlamak için Bio3D-web'i kullanmaları öngörülmektedir. Bio3D-webBiyomoleküler yapı veri setlerini hızla keşfetmek ve hipotez üreten bir araç olarak hareket etmek için tasarlanmıştır. Kullanıcıları, tüm sorgu ayrıntılarını ve analiz sonuçlarını da saklayan yeniden üretilebilir raporda örnek Bio3D kodu sağlayarak verilerini daha ayrıntılı araştırmaya teşvik ediyoruz.
Yukarıdaki temsili örnek protokolde, Bio3D-web'in Adk'ın fonksiyonel konformasyonel geçişlerinin yapısal özelliklerini ortaya koyma kabiliyetini gösteriyoruz. Bio3D-web'in ek uygulamaları, kullanıcı tarafından yüklenen PDB yapılarının yapısal ve dinamik analizini içerir. Örneğin, kullanıcı analiz için yeni yapılar veya gerçekten protein dizileri yükleyebilir. Daha önce bahsedilen analiz adımları, özellikle de eNMA basamağı, protein hareketi içindeki hem yerel hem de küresel eğilimleri ortaya çıkarabilir, toplu hareketler fonksiyonel öneme sahiptir. Apo yapılarıyla karşılaştırma, bağlı olmayan konformasyonel geçişlere ait özellikleri de ortaya çıkarabilir. Için uygulama için ek örneklerBir dizi farklı protein ailesi çevrimiçi olarak sağlanmaktadır.
Tüm proteinler esnek ve dinamik varlıklar olmasına rağmen, tüm proteinlerin bir dizi farklı durumda ( örneğin, aktif ve aktif olmayan durumlar) mevcut olan atomik çözünürlük yapıları yoktur. Protein yapı alanı konusundaki görüşümüz sınırlıdır ve dolayısıyla Bio3D-web gibi araçlardan elde edilen bilgiler belirli proteinler için de sınırlıdır. Bununla birlikte, mevcut teknolojik ilerlemeler ve yapısal genomik için yeni girişimler ile burada sunulan protokol, önemli yapısal-işlev ilişkileri hakkında fikir edinmek için giderek daha önemli bir rota haline gelecektir. Daha uzakta bulunan ilgili proteinleri analiz ederken özellikle önemli olan kritik bir adım ALIGN sekmesindeki hizalama hatalarının ortaya çıkmasıdır. Sıralama benzerlikleri% 30'un altına düştüğünde hizalama hataları kaçınılmaz olarak ortaya çıkacak ve kullanıcı bu gibi durumlarda sıralı hizalamayı iki kez kontrol etmeli ve düzeltmelidirALIGN sekmesinde. Hizalama hataları, muhtemelen FIT sekmesindeki hatalı üst üste binmiş yapılarla sonuçlanır ve sonraki PCA için en uygun konformasyonel varyasyonları maskeleyebilir. Buna ek olarak, kullanıcı geçerli uygulanmış olduğu gibi seçilen PDB yapılarında eksik kalıntılardan haberdar olmalıdır. PCA yalnızca tüm yapıların karşılık gelen karbon alfa atomu çözülmüş olan protein kalıntıları üzerinde gerçekleştirilebilir. Sonuç olarak, seçilen bir PDB, proteinin belirli bir bölgesi için çözülmemiş artıkları varsa, bu bölge PCA'dan çıkarılacaktır.
Bio3D-web halihazırda tek zincirli PDB yapılarının analizi ile sınırlıdır. Sonuç olarak, kuaterner düzeyde meydana gelen işlevsel hareketler, mevcut protokol kullanılarak araştırılamaz. Bu tür analizleri Bio3D-web'e eklemek için şu anda yeni algoritmalar geliştiriyoruz, ancak tek geçerli seçenek geleneksel Bio3D kullanımı içindir.
Bio3D-web, yalnızca çevrimiçi başvuru kaynağıdırYapı kümelerini sorgulayıp tanımlamayı, dizi ve yapısal değişkenlik modellerini yorumlamayı ve yapısal esnekliğin hem analizinden hem de öngörülmesinden mekanistik bilgi çıkarmasını mümkün kılar. Geniş bir moleküler görselleştirme araçları ve çevrimiçi sunucular, araştırmacıların bireysel biyomoleküler yapıları keşfetmelerini ve analiz etmelerini sağlar. Bununla birlikte, büyük heterojen protein ailelerinin dizilimini, yapısını ve dinamiklerini analiz etmek için mevcut araçlar genellikle önemli hesaplama uzmanlığı gerektirir ve yalnızca ilgili programlama becerilerine sahip kullanıcılar tarafından erişilebilir olmaya devam eder. Örneğin, Bio3D paketi R 8 gerektirir, ProDy python gerektirir ve Maven Matlab bilgisi 9 , 10 gerektirir. Buna karşılık Bio3D-web programlama bilgisi gerektirmez ve böylece erişilebilirliği arttırır ve gelişmiş karşılaştırmalı dizi, yapı ve dy'yi gerçekleştirmek için giriş engelini azaltırAd analizleri. Ayrıca, verimli analiz için sıklıkla gerekli olan moleküler yapıların hazırlanması, küratörlüğü, açıklaması ve temizlenmesi Bio3D web servisine dahildir. Ayrıca, yetenekli hesaplama kaynakları üzerinde böyle bir analiz gerçekleştirme kısıtlaması, herhangi bir modern web tarayıcısından başlatılabilen ve kontrol edilebilen birçok yapıların geniş ölçekli analizini sağlayan sunucu örneğimiz tarafından hafifletilir.
Bio3D-web'in açık geliştirme süreci devam etmektedir (bkz. Https://bitbucket.org/Grantlab/bio3d). Yeni analiz işlevleri eklemeye ve mevcut yöntemleri geliştirmeye devam ediyoruz. Gelecekteki gelişme, mesafe matrisi tabanlı PCA ve burulma PCA, filogenetik bir bileşen, topluluk bağlama bölgesi tanımlama ve protein aileleri arasında dinamik ağ analizi için yeni yaklaşımlar içeren daha kapsamlı dizi koruma yaklaşımlarının eklenmesine odaklanacaktır. Bu bağlamda, mevcut web uygulaması, başlangıç poini temsil ederKullanıcı tanımlı deneysel yapı setleri üzerinde tekrarlanabilir ve paylaşılabilir adımlar atarak diğer birçok işbirliğine dayalı yapısal biyoinformatik analiz akışları. Ayrıca PDB yapılarının asimetrik birimi içerisindeki bireysel ve çoklu zincirlerin yanı sıra yeniden yapılandırılmış biyolojik birim koordinat setlerinin gelecekte desteklenmesini planlıyoruz. Ek özellikler arasında, geri alma olasılığı ile birlikte, ortak çalışma alanlarının daha iyi kaydedilmesi ve yüklenmesi yer alıyor.
Bio3D-web, biyomoleküler yapı verilerinin etkileşimli analizi için çevrimiçi bir uygulamadır. Bio3D-web, herhangi bir modern web tarayıcısında çalışır ve aşağıdakiler için işlevsellik sağlar: (1) İlgili protein yapısının belirlenmesi, kullanıcıya belirtilen benzerlik eşiklerine ayarlanır; (2) Çoklu hizalama ve yapı üst üste binme; (3) Dizinin ve yapıların korunum analizi; (4) Ana bileşen analizi ile inter-konformer ilişki haritalaması ve (5) tahmin edilen iç dinamiklerin topluluk vasıtasıyla karşılaştırılması,Mal mod analizi. Bu entegre işlevsellik, protein aileleri ve süper aileler arasındaki sekans yapısı-dinamik ilişkilerin araştırılması için eksiksiz bir iş akışı sağlar. Bio3D-web, parametre ve yöntem seçeneklerinin etkilerini keşfetmek için kullanımı kolay bir dinamik arayüze ek olarak kullanıcının oturumu ve sonraki oturumun grafik sonuçlarını da kaydeder. Bu, kullanıcıların sonuçlarını oluşturan analiz adımlarının dizisini kolayca paylaşmasına ve çoğaltmasına olanak tanır. Bio3D-web tamamen R dilinde uygulanmaktadır ve Bio3D ve Shiny R paketlerine dayanmaktadır. Online sunucudan çalıştırılabilir veya yerel olarak R çalıştıran herhangi bir bilgisayara yüklenebilir. Bu, ilaç endüstrisinde yaygın olanlar gibi öncelikli yapısal veri setlerine erişimi olan özelleştirilmiş bir çoklu kullanıcı örneğini sağlamak için yerel sunucu kurulumunu içerir. Http://thegrantlab.org adresinden bir GPL-3 açık kaynak lisansıyla tam kaynak kodu ve geniş kapsamlı belgeler sağlanmaktadır./ Bio3d / webapps
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr. Guido Scarabelli ve Hongyang Li'ye geliştirme süresince kapsamlı testlerin yanı sıra bu uygulamayı geliştiren geribildirim ve yorumlar için Bio3D kullanıcı topluluğu ve Bergen Üniversitesi Biyoinformatik yapım atölyesi katılımcılarına teşekkür ediyoruz.
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).
