بروتوكول لبنية البروتين القائم على الحاسوب والتنبؤات وظيفة

يهدف هذا الإجراء إلى التنبؤ الحاسوبي بالبنى ثلاثية الأبعاد والوظائف البيولوجية لجزيئات البروتين بدءاً من تتابعات أحماضها الأمينية. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال التنبؤ بالبنية الثانوية للبروتينات باستخدام التعلم الآلي. بعد ذلك، يتم مطابقة التتابعات والبنية الثانوية المتنبأ بها مع البنى المحلولة في مكتبة PDB لتحديد أفضل القوالب البنيوية الممكنة.

تُسمى هذه العملية بالتدريج (threading). وبعد الانتهاء من إجراء التدريج، سيقوم برنامج IT AER بتقسيم القوالب إلى شظايا بناءً على محاذات تسلسل القوالب، ثم يعيد تجميع هذه الشظايا إلى نماذج كاملة الطول في الخطوة الثالثة. ويتم بناء النماذج الذرية الكاملة من خلال تحسينات على المستوى الذري لتحسين شبكات الروابط الهيدروجينية وإزالة التداخلات الفراغية.

تتمثل الخطوة الأخيرة من الإجراء في تحديد الوظيفة البيولوجية للبروتينات من خلال مطابقة البنى المتوقعة مع بروتينات ذات وظائف معروفة في مكتبة الوظائف. وتكمن الميزة الرئيسية لـ ITER مقارنة بطرق نمذجة البنى الحالية في نهج تجميع شظايا البنى المتأصل، والذي يمكن أن يدفع محاذات التسلسل (threading alignments) باستمرار لتكون أقرب إلى الحالة الأصلية. كما تشكل هذه النماذج البنيوية عالية الجودة أساساً للتوصيفات الوظيفية الدقيقة القائمة على البنية لتعزيز استخدام ITER في المجتمع العلمي.

لقد وفر مختبرنا موقعاً إلكترونياً يمكن من خلاله إرسال تسلسلات البروتين إلى iter. يعمل هذا الموقع كحلقة وصل تتيح للمستخدمين من جميع أنحاء العالم تسجيل واجهة للوصول إلى العنقود الحاسوبي، الذي يتولى إدارة وتشغيل محاكاة ITER. وتتكون مهمة محاكاة ITER الواحدة من أكثر من عشر محاكاة فرعية أصغر.

يمكن أن تستغرق هذه المحاكاة، عند تشغيلها على جهاز كمبيوتر واحد بنواة معالجة واحدة، أكثر من مائة ساعة. يقوم التجمع الحاسوبي في مختبر Zang باستلام هذه المحاكاة الفرعية وتوزيعها على مئات الأجهزة، وهو قادر على تشغيل أكثر من 2000 محاكاة. وبالتزامن مع استخدام التجمع الحاسوبي الخاص بنا، فإننا قادرون على إكمال مئات من عمليات محاكاة I taster يومياً.

على الرغم من هذه القدرة، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يجب القيام به لتحسين النظام وتقليل وقت الانتظار لمستخدمي نظام IT AER عبر الإنترنت. لبدء تجربة نمذجة البنية والوظيفة، قم بتسجيل الدخول إلى صفحة الويب الخاصة بنظام IT AER. يمكن العثور على عناوين URL لجميع صفحات الويب ذات الصلة المناقشة هنا في البروتوكول المكتوب.

انسخ والصق تسلسل الأحماض الأمينية في النموذج الموضح، أو قم بتحميل التسلسل مباشرة بالنقر فوق زر الاستعراض. أدخل عنوان البريد الإلكتروني واسم المهمة. يمكن للمستخدمين اختيارياً تحديد قيود المسافة أو التلامس بين بقايا خارجية.

أضف قالبًا إضافيًا أو استثنِ بعض بروتينات القوالب أثناء عملية نمذجة البنية. ولإرسال التسلسل، انقر على زر run it taser. تحقق من حالة المهمة المُرسلة من خلال زيارة صفحة IT taser queue.

انقر فوق علامة تبويب البحث واستخدم رقم معرف الوظيفة أو تسلسل الاستعلام للبحث عن الوظيفة المقدمة. بعد الانتهاء من نمذجة البنية والوظيفة، سيتم إرسال بريد إلكتروني يحتوي على صورة للهياكل المتوقعة ورابط ويب إلى عنوان البريد الإلكتروني المزود. انقر فوق هذا الرابط لعرض النتائج وتنزيلها.

ابدأ بتحليل البنية من خلال فحص تنبؤات البنية الثانوية، والتي تظهر كرمز H لولب ألفا (alpha helix)، أو S لصفيحة بيتا (beta strand)، أو C للملف (coil). ضع في اعتبارك أيضاً درجة الثقة في التنبؤ لكل ثمالة (residue). ابحث عن المناطق التي تحتوي على بنيات طويلة من تنبؤات البنية الثانوية المنتظمة لتقدير المنطقة المركزية (core region) في البروتين.

يمكن أيضاً تحليل الفئة التركيبية للبروتين بناءً على توزيع عناصر البنية الثانوية. قم بمعاينة إمكانية الوصول المتوقعة للمذيب للتأكد من المناطق المدفونة والمناطق المعرضة للمذيب. في الاستعلام، تتراوح قيم إمكانية الوصول المتوقعة للمذيب من درجة صفر للبقايا المدفونة إلى درجة تسعة للبقايا المعرضة.

يمكن استخدام المناطق التي تحتوي في الغالب على بقايا مدفونة لتحديد المنطقة اللبية في البروتين، بينما تعتبر المناطق التي تحتوي على بقايا محبة للماء ومعرضة للمذيب مواقع إماهة أو مواقع وظيفية محتملة. لعرض الهياكل الثالثية المتوقعة للبروتين المستعلم عنه، قم بالتمرير لأسفل إلى تطبيق JMO التفاعلي المعروض على اليسار. انقر فوق التطبيق لتغيير مظهر الهيكل المعروض.

قم بالتكبير على منطقة محددة، أو اختر أنواع بقايا معينة في النموذج المتوقع، أو احسب المسافات بين البقايا. قم بتحليل درجات الثقة للنمذجة الهيكلية لتقدير جودة الهياكل المتوقعة. عادةً ما تكون قيم Csco في نطاق من سالب خمسة إلى اثنين، حيث تشير الدرجة الأعلى إلى نموذج بجودة أفضل.

يظهر تقدير درجة TM وقيمة RMSD للنموذج الأول كدقة تقديرية للنموذج الأول. انقر على رابط "المزيد عن csco". ولتحليل حجم عنقود csco وكثافة العنقود لجميع النماذج، قم بتحليل أفضل 10 قوالب تسلسل (threading templates) لبروتين الاستعلام كما حددتها برامج LOWMETS threading.

من خلال التمرير لأسفل في صفحة النتائج، اعرض قيمة Z-score المُطبعة لتحليل جودة محاذات السلاسل (threading alignments). تعكس المحاذات التي تزيد فيها قيمة csco المُطبعة عن واحد محاذاة موثوقة، ومن المرجح جداً أن تمتلك نفس الطي (fold) الخاص بالبروتين المستعلم عنه. افحص تطابق التسلسل في المنطقة التي تمت محاذاتها بطريقة السلاسل وللسلسلة بأكملها لتقييم درجة التماثل بين البروتينات المستعلم عنها والقوالب.

تُعد الهوية المتسلسلة العالية مؤشراً على القرابة التطورية بين البروتينات الاستعلامية والقالب. قم بمعاينة بقايا الأحماض الأمينية المحاذات عبر طريقة التوليف (threading) الموضحة بالألوان لتحديد البقايا أو الزخارف (motifs) المحفوظة بصرياً في البروتينات الاستعلامية وبروتينات القالب؛ كما تشير الهوية المتسلسلة العالية في منطقة محاذاة التوليف مقارنة بمحاذاة السلسلة الكاملة إلى وجود زخارف أو نطاقات بنيوية محفوظة في البروتين الاستعلامي. قم بتقييم تغطية محاذاة التوليف من خلال فحص المحاذاة.

إذا كانت تغطية أفضل محاذاة منخفضة ومقتصرة على منطقة صغيرة فقط من البروتين المستعلم عنه، أو كانت غائبة عن جزء طويل من تسلسل الاستعلام، فإن ذلك يشير إلى أن البروتين المستعلم عنه يحتوي على أكثر من نطاق واحد. في هذه الحالة، يُوصى بتقسيم التسلسل ونمذجة النطاقات بشكل فردي. اطلع على الجدول التالي في صفحة النتائج لتحديد أفضل 10 نظائر بنيوية للنموذج الأول المتوقع كما حددها برنامج المحاذاة البنيوية، TM align.

تشير درجة TM التي تزيد عن 0.5 إلى أن النظير المكتشف والنموذج يمتلكان توبولوجيا متشابهة، ويمكن استخدامهما لتحديد الفئة التركيبية أو عائلة البروتين للبروتين المستعلم عنه. أما الدرجات التي تقل عن 0.3 فتدل على تشابه تركيبي عشوائي. قم بتحليل تطابق التسلسل وقيمة RMSD في المنطقة المحاذاة تركيبياً لتقييم مدى حفظ الأنماط المكانية في كل من النموذج والنظير التركيبي.

افحص بصرياً أزواج البقايا الملونة والمصطفة في المحاذاة لتحديد هذه البقايا والأنماط المحفوظة هيكلياً. اطلع على جدول أرقام EC المتوقعة لعرض أعلى خمس مجموعات جينية (OGs) إنزيمية محتملة لبروتين الاستعلام. يظهر مستوى الثقة في توقع رقم EC باستخدام هذه القوالب كدرجة EC بناءً على تحليل القياس المرجعي.

يمكن تفسير التشابه الوظيفي بين البروتين الاستعلامي والبروتين القالب بشكل موثوق باستخدام درجة EC أكبر من 1.1. بعد ذلك، ابحث عن توافق في الوظيفة بين القوالب التي تمتلك طية مشابهة للبروتين الاستعلامي. إذا كانت عدة قوالب تمتلك نفس رقم EC وكانت درجة EC أكبر من 1.1، فإن مستوى الثقة في التنبؤ يكون مرتفعاً جداً.

ومع ذلك، إذا كانت درجة EC مرتفعة، ولكن هناك نقص في التوافق بين النتائج المحددة، تصبح التوقعات أقل موثوقية ويُنصح المستخدمون بالرجوع إلى الوجود الجيني (gene ontology). وفي عرض توقعات المصطلحات، يمكن الاطلاع على جدول مصطلحات الوجود الجيني المتوقعة لتحديد أفضل 10 متجانسات للبروتين المستعلم عنه في مكتبة PDB والموسومة بمصطلحات الوجود الجيني، حيث يرتبط كل بروتين عادةً بمصطلحات وجود جيني متعددة تصف وظائفه الجزيئية، وعملياته البيولوجية، وموقعه الخلوي. انقر فوق كل مصطلح لزيارة موقع amigo وتحليل تعريفه وتسلسله الهرمي.

قم بتحليل عمود درجة التماثل الوظيفي لتقييم التشابه الوظيفي بين بروتينات الاستعلام والقوالب. كما يمكن تقدير مستوى الثقة في نقل التعليقات التوضيحية الوظيفية من هذه البروتينات. اطلع على جدول التنبؤ التوافقي لمصطلحات الأنطولوجيا الجينية لتحليل توافق الوظائف بين القوالب.

تُستخدم هذه الوظائف الشائعة للتنبؤ بمصطلحات الوجود الجيني (gene ontology) للبروتين المستعلم عنه ولتقييم مستوى الثقة في تنبؤات تلك المصطلحات. وأخيرًا، قم بالتمرير إلى أسفل الصفحة لعرض أفضل 10 تنبؤات لمواقع ارتباط اللجين للبروتين المستعلم عنه، حيث يتم ترتيب مواقع الارتباط المتوقعة بناءً على عدد تشكيلات اللجين المتوقعة التي تشترك في جيب ارتباط واحد. وقد تم بالفعل عرض أفضل موقع ارتباط تم تحديده في تطبيق JM OL.

انقر على أزرار الاختيار لتحليل تنبؤات أخرى وتصور الثمالات المتفاعلة مع الربيطة. تكشف درجة BS عن التشابه المحلي بين الموقع الرابط في النموذج والقوالب. وتشير درجة BS التي تزيد عن 1.1 إلى وجود تشابه عالي في التسلسل والبنية بالقرب من موقع الارتباط المتوقع.

في النموذج مقارنة بموقع الارتباط المعروف في القالب، تعد IT صفحة ويب رئيسية تحتوي على روابط لميزات مفيدة أخرى. تتيح ميزة المنتدى للمستخدم إنشاء حساب عبر الإنترنت وطلب المساعدة من مستخدمي ITER الآخرين فيما يتعلق بنمذجة الهيكل أو للمساعدة في تفسير النتائج. وتتيح ميزة التنزيل للمستخدمين تنزيل iter والحزم ذات الصلة وتثبيتها على جهاز الكمبيوتر الخاص بهم.

يساعد هذا في تقليل الوقت المطلوب لإجراء تجارب النمذجة. وتتيح ميزة قائمة الانتظار رؤية حالة جميع المهام المقدمة على صفحة IT a Q. كما يمكن للمستخدمين فحص صورة الهياكل المنمذجة بصرياً للمهام المكتملة.

تظهر في هذه الصفحة أيضاً درجة TM المتوقعة وRMSD المتوقع للنموذج الأول في CSCO وتاريخ التقديم، وما يظهر هنا هو مقتطف من صفحة نتائج IT AER يعرض تسلسل الاستعلام المنسق بشكل أسرع، والبنية الثانوية المتوقعة، ودرجات الثقة المرتبطة بها، وإمكانية وصول المذيب المتوقعة للبقايا. تم تمييز المنطقة الأساسية التي تم تحليلها وموقع التميؤ المحتمل في الاستعلام بمستطيلات باللون السماوي والأحمر على التوالي. هنا يتم عرض تنبؤات البنية الثالثية لبروتينات الاستعلام.

تُعرض النماذج المتوقعة في مخرج تطبيق JML تفاعلي، مما يتيح للمستخدم تغيير طريقة عرض الجزيء. كما يمكن تنزيل النماذج عن طريق النقر فوق روابط التنزيل، ويُشار إلى درجة الثقة لتقدير جودة النموذج باسم csco. ويظهر هنا مثال لصفحة نتائج itta A التي تعرض أفضل 10 قوالب تطابق (threading templates) ومحاذات تم تحديدها بواسطة برامج Loomis threading.

يتم تقييم جودة محاذات التسلسل (threading alignments) بناءً على قيمة Z-score المعيارية، حيث تشير القيمة التي تزيد عن واحد إلى محاذاة موثوقة. وتظهر البقايا المحاذية في القالب والتي تتطابق مع البقايا المقابلة في الاستعلام مميزة بالألوان للإشارة إلى وجود بقايا أو موتيف (motif) محفوظ. وعلى العكس من ذلك، فإن غياب المحاذاة في معظم القوالب الرئيسية يشير إلى وجود نطاقات (domains) متعددة في بروتين الاستعلام، وتتوافق البقايا غير المحاذية مع مناطق الربط بين النطاقات (domain linker regions).

يعرض هذا الجدول أعلى 10 نظائر هيكلية وتراصفات هيكلية تم تحديدها بواسطة برنامج التراصف الهيكلي TM aligned. ويعتمد ترتيب النظائر على درجة TM الخاصة بالتراصف الهيكلي. وتشير درجة TM التي تزيد عن 0.5 إلى أن الهيكلين المقارنين يمتلكان طوبولوجيا متشابهة.

بينما تشير درجة TM التي تقل عن 0.3 إلى وجود تشابه بين بنيتين عشوائيتين. يتم تظليل أزواج البقايا المتراصفة بنيوياً بالألوان بناءً على خاصية الحمض الأميني، بينما يُشار إلى المناطق غير المتراصفة بشرطة. إليك مثال لصفحة نتائج ITR التي تعرض المتماثلات الإنزيمية المحددة للبروتين المستعلم عنه في مكتبة PDB.

يتم تحليل مستوى الثقة في تنبؤ رقم EC بناءً على درجة EC، حيث تشير درجة EC التي تزيد عن 1.1 إلى وجود تشابه وظيفي بين البروتين الاستعلامي والبروتين القالب. ويتضمن جدول تنبؤ مصطلحات الوجود الجيني للبروتين الاستعلامي المتجانسات الوظيفية للبروتين الاستعلامي في مكتبة قوالب الوجود الجيني، مرتبة بناءً على درجة التجانس الوظيفي الخاصة بها. ثم تُشتق السمات الوظيفية المشتركة من هذه النتائج ذات الدرجات الأعلى لإنشاء التنبؤات النهائية لمصطلحات الوجود الجيني للبروتين الاستعلامي.

يتم تقدير جودة مصطلحات علم الوجود الجيني المتوقعة بناءً على درجة geo، حيث تشير درجة geo التي تزيد عن 0.5 إلى تنبؤ موثوق، كما هو موضح هنا في مثال لصفحة نتائج IT AZA التي تعرض أعلى 10 تنبؤات لمواقع ارتباط ربيطة البروتين باستخدام خوارزمية cofactor. ويعتمد ترتيب مواقع الارتباط المتوقعة على عدد تشكيلات الربيطة المتوقعة التي تشترك في جيب ارتباط مشترك. وفي الاستعلام، تعد درجة BS مقياساً لمدى التشابه المحلي في التسلسل والبنية بين موقع الارتباط المتوقع ومواقع الارتباط المرجعية، وهي مفيدة لتحليل حفظ جيوب مواقع الارتباط.

على الرغم من أن ISER يُعد أحد أكثر الخوارزميات كفاءة في التنبؤ ببنية البروتين ووظيفته، فمن المهم تذكر أنه مجرد تنبؤ قائم على خوارزميات حاسوبية. لذا، فإن أي بيانات تجريبية أو رؤى وظيفية، مثل معلومات ارتباط تلامسات البقايا، ستكون مفيدة للغاية في زيادة دقة التنبؤات. ولتلبية الاهتمام المتزايد بذلك، يتوفر في خادم IT AER بوابة لإدراج هذه المعلومات أثناء عملية النمذجة.

لقد أتاح مختبر Zang برنامج IT AER مجاناً للأبحاث غير التجارية. نحن نعمل بنشاط على تطوير وتحسين IT AER ومحسن تتبع العين (eye taster)، وعلى أمل أن يؤدي توفر هذا البرنامج إلى تطبيقه على نطاق واسع خارج مختبر Zang، مما سيفيد المجتمع العلمي ويحفز المزيد من الأبحاث.