Dimostrazione dell'allineamento delle sequenze per prevedere lo strumento di suscettibilità tra le specie per una rapida valutazione della conservazione delle proteine
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per utilizzare l’ultima versione dello strumento SeqAPASS (Sequence Alignment to Predict Across Species Suceptibility) dell’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti. Questo protocollo dimostra l’applicazione dello strumento online per analizzare rapidamente la conservazione delle proteine e fornire previsioni personalizzabili e facilmente interpretabili della suscettibilità chimica tra le specie.
Abstract
Lo strumento SeqAPASS (Sequence Alignment to Predict Across Species Suceptibility) dell’Agenzia per la protezione dell’ambiente degli Stati Uniti è un’applicazione di screening online veloce e disponibile gratuitamente che consente ai ricercatori e alle autorità di regolamentazione di estrapolare informazioni sulla tossicità tra le specie. Per i bersagli biologici in sistemi modello come cellule umane, topi, ratti e zebrafish, sono disponibili dati di tossicità per una varietà di sostanze chimiche. Attraverso la valutazione della conservazione del bersaglio proteico, questo strumento può essere utilizzato per estrapolare i dati generati da tali sistemi modello a migliaia di altre specie prive di dati sulla tossicità, fornendo previsioni di suscettibilità chimica intrinseca relativa. Le ultime versioni dello strumento (versioni 2.0-6.1) hanno incorporato nuove funzionalità che consentono la rapida sintesi, interpretazione e utilizzo dei dati per la pubblicazione oltre a grafici di qualità di presentazione.
Tra queste funzionalità ci sono visualizzazioni di dati personalizzabili e un rapporto di riepilogo completo progettato per riassumere i dati SeqAPASS per facilitare l’interpretazione. Questo documento descrive il protocollo per guidare gli utenti attraverso l’invio di processi, la navigazione nei vari livelli di confronto delle sequenze proteiche e l’interpretazione e la visualizzazione dei dati risultanti. Vengono evidenziate le nuove funzionalità di SeqAPASS v2.0-6.0. Inoltre, vengono descritti due casi d’uso incentrati sulla conservazione della transtiretina e della proteina del recettore oppioide utilizzando questo strumento. Infine, i punti di forza e i limiti di SeqAPASS sono discussi per definire il dominio di applicabilità per lo strumento ed evidenziare diverse applicazioni per l’estrapolazione cross-specie.
Introduction
Tradizionalmente, il campo della tossicologia si è basato fortemente sull’uso della sperimentazione animale intera per fornire i dati necessari per le valutazioni della sicurezza chimica. Tali metodi sono in genere costosi e richiedono molte risorse. Tuttavia, a causa del gran numero di sostanze chimiche attualmente utilizzate e del rapido ritmo con cui vengono sviluppate nuove sostanze chimiche, a livello globale vi è una riconosciuta necessità di metodi più efficienti di screening chimico 1,2. Questa necessità e il conseguente cambiamento di paradigma dalla sperimentazione animale ha portato allo sviluppo di molti nuovi metodi di approccio, tra cui saggi di screening ad alto rendimento, trascrittomica ad alto rendimento, sequenziamento di prossima generazione e modellazione computazionale, che sono promettenti strategie di sperimentazione alternative 3,4.
Valutare la sicurezza chimica attraverso la diversità delle specie potenzialmente influenzate dalle esposizioni chimiche è stata una sfida duratura, non solo con i test di tossicità tradizionali, ma anche con nuovi metodi di approccio. I progressi nella tossicologia comparativa e predittiva hanno fornito quadri per comprendere la sensibilità relativa delle diverse specie e i progressi tecnologici nei metodi computazionali continuano ad aumentare l’applicabilità di questi metodi. Nell’ultimo decennio sono state discusse diverse strategie che sfruttano i database di sequenze geniche e proteiche esistenti, insieme alla conoscenza di specifici bersagli molecolari chimici, per supportare approcci predittivi per l’estrapolazione tra specie e migliorare le valutazioni di sicurezza chimica oltre i tipici organismi modello 5,6,7,8.
Per far progredire la scienza in azione, basarsi su questi studi fondamentali in tossicologia predittiva, dare priorità agli sforzi di test chimici e supportare il processo decisionale, è stato creato lo strumento SeqAPASS (Sequence Alignment to Predict Across Species Suceptibility) dell’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti. Questo strumento è un’applicazione pubblica e liberamente disponibile basata sul web che utilizza archivi pubblici di informazioni sulla sequenza proteica in costante espansione per prevedere la suscettibilità chimica attraverso la diversità delle specie9. Sulla base del principio che la suscettibilità intrinseca relativa di una specie a una particolare sostanza chimica può essere determinata valutando la conservazione dei bersagli proteici noti di quella sostanza chimica, questo strumento confronta rapidamente le sequenze di amminoacidi proteici di una specie con sensibilità nota a tutte le specie con dati di sequenza proteica esistenti. Questa valutazione è completata attraverso tre livelli di analisi, tra cui (1) sequenza aminoacidica primaria, (2) dominio funzionale e (3) confronti critici dei residui di amminoacidi, ognuno dei quali richiede una conoscenza più approfondita dell’interazione chimica-proteina e fornisce una maggiore risoluzione tassonomica nella previsione della suscettibilità. Uno dei principali punti di forza di SeqAPASS è che gli utenti possono personalizzare e perfezionare la loro valutazione aggiungendo ulteriori linee di evidenza verso la conservazione del target in base alla quantità di informazioni disponibili per quanto riguarda l’interazione chimica-proteina o proteina-proteina di interesse.
La prima versione è stata rilasciata nel 2016, che ha permesso agli utenti di valutare sequenze di amminoacidi primari e domini funzionali in modo semplificato per prevedere la suscettibilità chimica e conteneva capacità minime di visualizzazione dei dati (Tabella 1). Le differenze individuali di amminoacidi hanno dimostrato di essere importanti determinanti delle differenze tra specie nelle interazioni chimico-proteiche, che possono influenzare la suscettibilità chimica delle specie10,11,12. Pertanto, sono state sviluppate versioni successive per considerare gli amminoacidi critici che sono importanti per l’interazione chimica diretta13. In risposta al feedback delle parti interessate e degli utenti, questo strumento è stato sottoposto a rilasci annuali con nuove funzionalità aggiuntive progettate per soddisfare le esigenze sia dei ricercatori che delle comunità normative per affrontare le sfide nell’estrapolazione tra specie (Tabella 1). Il lancio della versione 5.0 di SeqAPASS nel 2020 ha portato avanti funzionalità incentrate sull’utente che incorporano opzioni di visualizzazione e sintesi dei dati, collegamenti esterni, tabelle di riepilogo e opzioni di report e funzionalità grafiche. Nel complesso, i nuovi attributi e le nuove capacità di questa versione hanno migliorato la sintesi dei dati, l’interoperabilità tra database esterni e la facilità di interpretazione dei dati per le previsioni di suscettibilità tra specie.
Protocol
Representative Results
Discussion
C’è un riconoscimento diffuso che non è possibile testare empiricamente abbastanza specie per catturare la diversità genomica, fenotipica, fisiologica e comportamentale degli organismi viventi che possono essere esposti a sostanze chimiche di interesse tossicologico. L’obiettivo di SeqAPASS è massimizzare l’uso di sequenze proteiche esistenti e in continua espansione e dati strutturali per aiutare e informare l’estrapolazione dei dati / conoscenze sulla tossicità chimica dagli organismi testati a centinaia o migliai…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano il Dr. Daniel L. Villeneuve (U.S. EPA, Center for Computational Toxicology and Exposure) e il Dr. Jon A. Doering (Department of Environmental Sciences, Louisiana State University) per aver fornito commenti su una precedente bozza del manoscritto. Questo lavoro è stato sostenuto dalla US Environmental Protection Agency. Le opinioni espresse in questo documento sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni o le politiche dell’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti, né la menzione di nomi commerciali o prodotti commerciali indica l’approvazione da parte del governo federale.
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. |
References
- Krewski, D., et al. Toxicity testing in the 21st century: a vision and a strategy. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part B. 13 (2-4), 51-138 (2010).
- Wang, Z., Walker, G. W., Muir, D. C. G., Nagatani-Yoshida, K. Toward a global understanding of chemical pollution: A first comprehensive analysis of national and regional chemical inventories. Environmental Science & Technology. 54 (5), 2575-2584 (2020).
- Brooks, B. W., et al. Toxicology advances for 21st century chemical pollution. One Earth. 2 (4), 312-316 (2020).
- Kostal, J., Voutchkova-Kostal, A. Going all in: A strategic investment in in silico toxicology. Chemical Research in Toxicology. 33 (4), 880-888 (2020).
- Cheng, W., Doering, J. A., LaLone, C., Ng, C. Integrative computational approaches to inform relative bioaccumulation potential of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) across species. Toxicology Sciences. 180 (2), 212-223 (2021).
- Kostich, M. S., Lazorchak, J. M. Risks to aquatic organisms posed by human pharmaceutical use. Science of the Total Environment. 389 (2-3), 329-339 (2008).
- Gunnarsson, L., Jauhiainen, A., Kristiansson, E., Nerman, O., Larsson, D. G. Evolutionary conservation of human drug targets in organisms used for environmental risk assessments. Environmental Science & Technology. 42 (15), 5807-5813 (2008).
- LaLone, C. A., et al. Evidence for cross species extrapolation of mammalian-based high-throughput screening assay results. Environmental Science & Technology. 52 (23), 13960-13971 (2018).
- LaLone, C. A., et al. Editor’s highlight: Sequence Alignment to Predict Across Species Susceptibility (SeqAPASS): A web-based tool for addressing the challenges of cross-species extrapolation of chemical toxicity. Toxicology Sciences. 153 (2), 228-245 (2016).
- Head, J. A., Hahn, M. E., Kennedy, S. W. Key amino acids in the aryl hydrocarbon receptor predict dioxin sensitivity in avian species. Environmental Science & Technology. 42 (19), 7535-7541 (2008).
- Bass, C., et al. Mutation of a nicotinic acetylcholine receptor β subunit is associated with resistance to neonicotinoid insecticides in the aphid Myzus persicae. BMC Neuroscience. 12, 51-51 (2011).
- Erdmanis, L., et al. Association of neonicotinoid insensitivity with a conserved residue in the loop d binding region of the tick nicotinic acetylcholine receptor. Biochemistry. 51 (23), 4627-4629 (2012).
- Doering, J. A., et al. et al. In silico site-directed mutagenesis informs species-specific predictions of chemical susceptibility derived from the Sequence Alignment to Predict Across Species Susceptibility (SeqAPASS) tool. Toxicology Sciences. 166 (1), 131-145 (2018).
- Noyes, P. D., et al. Evaluating chemicals for thyroid disruption: Opportunities and challenges with in vitro testing and adverse outcome pathway approaches. Environmental Health Perspectives. 127 (9), 95001 (2019).
- Park, G. Y., Jamerlan, A., Shim, K. H., An, S. S. A. Diagnostic and treatment approaches involving transthyretin in amyloidogenic diseases. Int J Mol Sci. 20 (12), 2982 (2019).
- Rabah, S. A., Gowan, I. L., Pagnin, M., Osman, N., Richardson, S. J. Thyroid hormone distributor proteins during development in vertebrates. Front Endocrinol (Lausane). 10, 506 (2019).
- Richardson, S. J. Cell and molecular biology of transthyretin and thyroid hormones. International Review of Cytology. 258, 137-193 (2007).
- Yamauchi, K., Ishihara, A., Richardson, S. J., Cody, V. Transthyretin and Endocrine Disruptors. Recent Advances in Transthyretin Evolution, Structure and Biological Functions. , 159-171 (2009).
- Iakovleva, I., et al. Tetrabromobisphenol A is an efficient stabilizer of the transthyretin tetramer. PLoS One. 11 (4), 0153529 (2016).
- Ishihara, A., Sawatsubashi, S., Yamauchi, K. Endocrine disrupting chemicals: Interference of thyroid hormone binding to transthyretins and to thyroid hormone receptors. Molecular and Cellular Endocrinology. 199 (1), 105-117 (2003).
- Kar, S., Sepúlveda, M. S., Roy, K., Leszczynski, J. Endocrine-disrupting activity of per- and polyfluoroalkyl substances: Exploring combined approaches of ligand and structure based modeling. Chemosphere. 184, 514-523 (2017).
- Morais-de-Sa, E., Pereira, P. J., Saraiva, M. J., Damas, A. M. The crystal structure of transthyretin in complex with diethylstilbestrol: A promising template for the design of amyloid inhibitors. Journal of Biological Chemistry. 279 (51), 53483-53490 (2004).
- Morgado, I., Campinho, M. A., Costa, R., Jacinto, R., Power, D. M. Disruption of the thyroid system by diethylstilbestrol and ioxynil in the sea bream (Sparus aurata). Aquatic Toxicology. 92 (4), 271-280 (2009).
- Yamauchi, K., Prapunpoj, P., Richardson, S. J. Effect of diethylstilbestrol on thyroid hormone binding to amphibian transthyretins. General and Comparative Endocrinology. 119 (3), 329-339 (2000).
- Zhang, J., et al. Structure-based virtual screening protocol for in silico identification of potential thyroid disrupting chemicals targeting transthyretin. Environmental Science & Technology. 50 (21), 11984-11993 (2016).
- Ren, X. M., et al. Binding interactions of perfluoroalkyl substances with thyroid hormone transport proteins and potential toxicological implications. Toxicology. 366-367, 32-42 (2016).
- Wilson, N., Mbabazi, K., Seth, P., Smith, H., Davis, N. L. Drug and opioid-involved overdose deaths – United States, 2017-2018. Morbidity and Mortality Weekly Report. 69 (11), 290-297 (2020).
- National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES). United States Environmental Protection Agency Available from: https://www.epa.gov/npdes/npdes-resources (2018)
- Duvallet, C., Hayes, B. D., Erickson, T. B., Chai, P. R., Matus, M. Mapping community opioid exposure through wastewater-based epidemiology as a means to engage pharmacies in harm reduction efforts. Preventing Chronic Disease. 17, 200053 (2020).
- Gushgari, A. J., Venkatesan, A. K., Chen, J., Steele, J. C., Halden, R. U. Long-term tracking of opioid consumption in two United States cities using wastewater-based epidemiology approach. Water Research. 161, 171-180 (2019).
- Lau, B., Bretaud, S., Huang, Y., Lin, E., Guo, S. Dissociation of food and opiate preference by a genetic mutation in zebrafish. Genes Brain Behave. 5 (7), 497-505 (2006).
- Bossé, G. D., Peterson, R. T. Development of an opioid self-administration assay to study drug seeking in zebrafish. Behavioural Brain Research. 335, 158-166 (2017).
- Mottaz, H., et al. Dose-dependent effects of morphine on lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation, and involvement of multixenobiotic resistance (MXR) transporters in LPS efflux in teleost fish. Environmental Pollution. 221, 105-115 (2017).
- Manglik, A., et al. Crystal structure of the µ-opioid receptor bound to a morphinan antagonist. Nature. 485 (7398), 321-326 (2012).
- Comer, S. D., Cahill, C. M. Fentanyl: Receptor pharmacology, abuse potential, and implications for treatment. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 106, 49-57 (2019).
- Podlewska, S., Bugno, R., Kudla, L., Bojarski, A. J., Przewlocki, R. Molecular modeling of µ opioid receptor ligands with various functional properties: PZM21, SR-17018, morphine, and fentanyl-simulated interaction patterns confronted with experimental data. Molecules. 25 (20), 4636 (2020).
- Huang, W., et al. Structural insights into µ-opioid receptor activation. Nature. 524 (7565), 315-321 (2015).
- Lipiński, P. F. J., et al. Fentanyl family at the mu-opioid receptor: Uniform assessment of binding and computational analysis. Molecules. 24 (4), 740 (2019).
- Boland, L. A., Angles, J. M. Feline permethrin toxicity: Retrospective study of 42 cases. Journal of Feline Medicine and Surgery. 12 (2), 61-71 (2010).
- Stevenson, B. J., Pignatelli, P., Nikou, D., Paine, M. J. Pinpointing P450s associated with pyrethroid metabolism in the dengue vector, Aedes aegypti: developing new tools to combat insecticide resistance. PLoS Neglected Tropical Diseases. 6 (3), 1595 (2012).
- Ankley, G. T., Gray, L. E. Cross-species conservation of endocrine pathways: A critical analysis of tier 1 fish and rat screening assays with 12 model chemicals. Environmental Toxicology and Chemistry. 32 (5), 1084-1087 (2013).
- Meteyer, C. U., Rideout, B. A., Gilbert, M., Shivaprasad, H. L., Oaks, J. L. Pathology and proposed pathophysiology of diclofenac poisoning in free-living and experimentally exposed oriental white-backed vultures (Gyps bengalensis). Journal of Wildlife Diseases. 41 (4), 707-716 (2005).
- ECOTOX User Guide: ECOTOXicology Knowledgebase System. EPA, United States Environmental Protection Agency Available from: https://cfpub.epa.gov/ecotox/index.cfm (2021)
- ECOS Environmental Conservation Online System. U.S. Fish & Wildlife Service Available from: https://ecos.fws.gov/ecp/ (2021)
