بروتوكول لبنية البروتين القائم على الحاسوب والتنبؤات وظيفة
نوفمبر 3, 2011
ويرد وصف المبادئ التوجيهية للكمبيوتر يستند توصيف الهيكلية والوظيفية للبروتين باستخدام خط أنابيب I - TASSER. بدءا من تسلسل البروتين الاستعلام ، يتم إنشاؤها باستخدام نماذج 3D التحالفات خيوط متعددة ومتكررة المحاكاة التجمع الهيكلي. بعد ذلك يتم رسمها بناء على الاستدلالات وظيفية للبروتينات مباريات مع هيكل معروف ووظائفها.
الهدف من هذا الإجراء هو التنبؤ حسابيا بالهياكل ثلاثية الأبعاد والوظيفة البيولوجية لجزيئات البروتين بدءا من تسلسل الأحماض الأمينية. يتم تحقيق ذلك من خلال التنبؤ أولا بالتركيب الثانوي للبروتينات عن طريق التعلم الآلي. ثم تتم مطابقة التسلسلات والبنية الثانوية المتوقعة مع الهياكل التي تم حلها في مكتبة PDB لتحديد أفضل قوالب البنية الممكنة.
هذا الإجراء يسمى الخيوط. باتباع إجراء الربط ، سيقوم برنامج IT AER بتقسيم القوالب إلى أجزاء بناء على محاذاة قالب التسلسل ، ثم إعادة تجميع الأجزاء إلى نماذج كاملة الطول في الخطوة الثالثة. يتم إنشاء النماذج الذرية الكاملة عن طريق تحسينات المستوى الذري لتحسين شبكات الروابط الهيدروجينية وإزالة التداخلات.
تتمثل الخطوة الأخيرة من الإجراء في تحديد الوظيفة البيولوجية للبروتينات من خلال مطابقة هياكل التنبؤ مع البروتينات ذات الوظيفة المعروفة في مكتبة الوظائف. الميزة الرئيسية ل ITER على طريقة نمذجة الهيكل الحالية هي نهج تجميع جزء الهيكل المتأصل ، والذي يمكن أن يدفع محاذاة الخيوط باستمرار إلى الحالة الأصلية. تشكل نماذج الهيكل عالية الجودة هذه أيضا أساس التعليقات التوضيحية الوظيفية الدقيقة القائمة على الهيكل لتعزيز استخدام ITER في المجتمع العلمي.
أتاح مختبرنا موقعا إلكترونيا حيث يمكن إرسال تسلسل البروتين إلى التكرار. يعمل هذا الموقع كحلقة وصل يمكن للمستخدمين في جميع أنحاء العالم من خلالها تسجيل واجهة لمجموعة الكمبيوتر ، والتي تدير وتدير عمليات محاكاة ITER. تتكون مهمة محاكاة ITER من أكثر من اثنتي عشرة محاكاة فرعية أصغر.
يمكنأن تستغرق عمليات المحاكاة هذه عند تشغيلها على جهاز كمبيوتر واحد بنواة معالج واحدة أكثر من مائة ساعة. تأخذ مجموعة الكمبيوتر في مختبر Zang وتوزعها على مئات أجهزة الكمبيوتر وهي قادرة على تشغيل أكثر من 2000 محاكاة. بالتزامن مع مجموعة الكمبيوتر الخاصة بنا ، نحن قادرون على إكمال المئات من عمليات محاكاة I taster كل يوم.
حتى مع هذه السعة ، يجب القيام بالكثير من العمل لتحسين النظام وتقليل وقت الانتظار لمستخدمي IT AER عبر الإنترنت. للبدء بتجربة نمذجة الهيكل والوظيفة، قم بتسجيل الدخول إلى صفحة ويب IT AER. يمكن العثور على عناوين URL لجميع صفحات الويب ذات الصلة التي تمت مناقشتها هنا في البروتوكول المكتوب.
انسخ والصق تسلسل الأحماض الأمينية في النموذج المقدم ، أو قم بتحميل التسلسل مباشرة بالنقر فوق الزر تصفح. أدخل عنوان بريد إلكتروني واسما للوظيفة. يمكن للمستخدمين اختياريا تحديد قيود التلامس الخارجية إلى البقايا أو المسافة.
أضف نموذجا إضافيا أو استبعد بعض بروتينات القوالب أثناء عملية نمذجة الهيكل. لإرسال التسلسل ، انقر فوق زر تشغيله الصعق الكهربائي. تحقق من حالة الوظيفة المرسلة من خلال زيارة صفحة قائمة انتظار مسدس الصعق الكهربائي لتكنولوجيا المعلومات.
انقر فوق علامة تبويب البحث واستخدم رقم معرف الوظيفة أو تسلسل الاستعلام للبحث عن الوظيفة المرسلة. بعد الانتهاء من نمذجة الهيكل والوظيفة، سيتم إرسال رسالة بريد إلكتروني إعلام تحتوي على صورة للهياكل المتوقعة ورابط ويب إلى عنوان البريد الإلكتروني المقدم. انقر فوق هذا الرابط لعرض النتائج وتنزيلها.
ابدأ تحليل الهيكل من خلال فحص التنبؤ بالهيكل الثانوي ، والذي يتم عرضه على أنه H لحلزون ألفا ، أو S لخيط بيتا ، أو C للملف. ضع في اعتبارك أيضا درجة الثقة للتنبؤ لكل بقايا. ابحث عن المناطق ذات الهياكل الطويلة من تنبؤات البنية الثانوية المنتظمة لتقدير المنطقة الأساسية في البروتين.
يمكن أيضا تحليل الفئة الهيكلية للبروتين بناء على توزيع عناصر الهيكل الثانوية. عرض إمكانية الوصول المتوقعة للمذيبات للتأكد من المناطق المدفونة والمعرضة للمذيبات. في الاستعلام ، تتراوح قيم إمكانية الوصول إلى المذيبات المتوقعة من درجة صفر للبقايا المدفونة إلى درجة تسعة للبقايا المكشوفة.
يمكن استخدام المناطق التي تحتوي على بقايا مدفونة في الغالب لتحديد المنطقة الأساسية في البروتين بينما المناطق المعرضة للمذيبات والمخلفات المحبة للماء هي ترطيب محتمل أو مواقع وظيفية. لعرض الهياكل الثلاثية المتوقعة لبروتين الاستعلام ، قم بالتمرير لأسفل إلى تطبيق JMO التفاعلي المعروض على اليسار. انقر فوق التطبيق الصغير لتغيير مظهر الهيكل المعروض.
قم بتكبير منطقة معينة ، وحدد أنواعا محددة من المخلفات في النموذج المتوقع أو احسب في مسافات المخلفات. تحليل درجات الثقة في النمذجة الهيكلية لتقدير جودة الهياكل المتوقعة. عادة ما تكون قيم Csco في حدود سالب خمسة إلى اثنين ، حيث تعكس الدرجة الأعلى نموذجا بجودة أفضل.
يتم عرض درجة TM المقدرة و RMSD للنموذج الأول على أنها دقة تقديرية للنموذج الأول. انقر فوق رابط المزيد حول csco. لتحليل حجم مجموعة csco وكثافة الكتلة لجميع النماذج ، قم بتحليل أفضل 10 قوالب خيوط لبروتين الاستعلام كما تم تحديده بواسطة برامج خيوط mets منخفضة.
من خلال التمرير لأسفل صفحة النتائج، اعرض درجة Z المعادية لتحليل جودة محاذاة مؤشرات الترابط. تعكس المحاذاة مع csco الطبيعي أكبر من واحد محاذاة واثقة ومن المرجح أن يكون لها نفس الطية مثل بروتين الاستعلام. افحص هوية التسلسل في منطقة محاذاة الخيوط ولكي تقوم السلسلة بأكملها بتقييم التماثل بين الاستعلام وبروتينات القالب.
هوية التسلسل العالي هي مؤشر على الارتباط التطوري بين بروتينات الاستعلام والقالب. اعرض بقايا محاذاة الخيوط الموضحة بالألوان لتحديد المخلفات أو الزخارف المحفوظة بصريا في الاستعلام وبروتينات القالب ، كما تشير هوية تسلسل أعلى في منطقة محاذاة الخيوط مقارنة بمحاذاة السلسلة بأكملها إلى وجود زخارف أو مجالات هيكلية محفوظة في الاستعلام. قم بتقييم تغطية محاذاة الخيوط عن طريق فحص المحاذاة.
إذا كانت تغطية المحاذاة العلوية منخفضة وتقتصر على منطقة صغيرة فقط من بروتين الاستعلام أو غائبة لجزء طويل من تسلسل الاستعلام ، فهذا يشير إلى أن بروتين الاستعلام يحتوي على أكثر من مجال واحد. في هذه الحالة ، يوصى بتقسيم التسلسل ونمذجة المجالات بشكل فردي. اعرض الجدول التالي لصفحة النتائج لتحديد أفضل 10 نظائر هيكلية لأول نموذج متوقع كما تم تحديده بواسطة برنامج المحاذاة الهيكلية ، محاذاة TM.
تشير درجة TM الأكبر من 0.5 إلى أن التناظرية والنموذج المكتشفين لهما طوبولوجيا متشابهة ويمكن استخدامهما لتحديد الفئة الهيكلية أو عائلة البروتين لبروتين الاستعلام. أولئك الذين لديهم درجة TM أقل من 0.3 يشيرون إلى تشابه عشوائي في البنية. تحليل هوية التسلسل و RMSD في المنطقة المحاذاة الهيكلية لتقييم الحفاظ على الزخارف المكانية في النموذج والتناظرية الهيكلية.
افحص بصريا أزواج البقايا الملونة والمحاذاة في المحاذاة لتحديد هذه المخلفات والزخارف المحفوظة هيكليا. انظر إلى جدول أرقام EC المتوقعة لعرض أفضل خمسة إنزيمات محتملة OGs لبروتين الاستعلام. يتم عرض مستوى الثقة في التنبؤ برقم EC باستخدام هذه النماذج على أنه درجة EC استنادا إلى تحليل المقارنة المعيارية.
يمكن تفسير التشابه الوظيفي بين الاستعلام وبروتين القالب بشكل موثوق باستخدام درجة EC أكبر من 1.1. بعد ذلك ، ابحث عن إجماع الوظيفة بين القوالب ، والتي لها طية مماثلة لبروتين الاستعلام. إذا كانت القوالب المتعددة لها نفس رقم EC وكانت درجة EC أكبر من 1.1، يكون مستوى الثقة في التنبؤ مرتفعا جدا.
ومع ذلك ، إذا كانت درجة EC عالية ، ولكن هناك نقص في الإجماع بين الضربات المحددة ، يصبح التنبؤ أقل موثوقية وينصح المستخدمون باستشارة علم الوجود الجيني. تعرض تنبؤات المصطلحات جدول مصطلحات الأنطولوجيا الجينية المتوقعة لتحديد أفضل 10 متماثلات لبروتين الاستعلام في مكتبة PDB المشروحة بمصطلحات الأنطولوجيا الجينية ، وعادة ما يرتبط كل بروتين بمصطلحات أنطولوجيا جينية متعددة تصف وظائفه الجزيئية وعملياته البيولوجية وموقعه الخلوي. انقر فوق كل مصطلح لزيارة موقع amigo وتحليل تعريفه ونسبه.
قم بتحليل عمود درجة التماثل الوظيفي للوصول إلى التشابه الوظيفي بين بروتينات الاستعلام والقالب. يمكن أيضا تقدير مستوى الثقة في نقل التعليقات التوضيحية الوظيفية من هذه البروتينات. عرض جدول التنبؤ بالإجماع لمصطلحات الأنطولوجيا الجينية لتحليل توافق الوظيفة بين القوالب.
تستخدم هذه الوظائف الشائعة للتنبؤ بمصطلحات الأنطولوجيا الجينية لبروتين الاستعلام ولتقييم مستوى الثقة في تنبؤات المصطلح الجغرافي. أخيرا ، قم بالتمرير لأسفل إلى أسفل الصفحة لعرض أفضل 10 تنبؤات لموقع ربط الترابط لبروتين الاستعلام يتم تصنيفها بناء على عدد تأكيدات الترابط المتوقعة التي تشترك في جيب ربط مشترك. يتم عرض أفضل موقع ربط تم تحديده بالفعل في تطبيق JM OL.
انقر فوق أزرار الاختيار لتحليل التنبؤات الأخرى وتصور بقايا الترابط المتفاعلة. تكشف درجة BS عن التشابه المحلي بين النموذج وموقع ربط القوالب. تشير درجة BS الأكبر من 1.1 إلى تسلسل عالي وتشابه هيكلي بالقرب من موقع الربط المتوقع.
في النموذج مقارنة بموقع الربط المعروف في القالب ، فإن IT عبارة عن صفحة ويب رئيسية تحتوي على روابط لميزات مفيدة أخرى. تسمح ميزة المنتدى للمستخدم بإنشاء حساب عبر الإنترنت وطلب المساعدة من مستخدمي ITER الآخرين فيما يتعلق بنمذجة الهيكل أو للمساعدة في تفسير النتائج. تتيح ميزة التنزيل للمستخدمين تنزيل الحزم ذات الصلة وتثبيتها على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم.
يساعد هذا في تقليل الوقت اللازم لإجراء تجارب النمذجة. تسمح ميزة قائمة الانتظار برؤية حالة جميع الوظائف المرسلة في صفحة Q لتكنولوجيا المعلومات. يمكن للمستخدمين أيضا فحص صورة الهياكل النموذجية بصريا للوظائف النهائية.
في هذه الصفحة، تظهر أيضا في درجة TM المتوقعة ل CSCO و RMSD المتوقعة للنموذج الأول وتاريخ الإرسال الموضح هنا مقتطف من صفحة نتائج IT AER التي توضح تسلسل الاستعلام المنسق الأسرع والهيكل الثانوي المتوقع ودرجات الثقة المرتبطة بها وإمكانية الوصول المتوقعة للمذيبات للمخلفات. يتم تمييز المنطقة الأساسية التي تم تحليلها وموقع الترطيب المحتمل في الاستعلام بمستطيلات سماوية وحمراء على التوالي. هنا يتم عرض تنبؤات البنية الثلاثية لبروتينات الاستعلام.
يتم عرض النماذج المتوقعة في منفذ تطبيق JML تفاعلي ، مما يسمح للمستخدم بتغيير عرض الجزيء. يمكن أيضا تنزيل النماذج من خلال النقر على روابط التنزيل ، ويتم الإبلاغ عن درجة الثقة لتقدير جودة النموذج على أنها csco. يتم تقديم مثال على صفحة نتائج itta A التي تعرض أفضل 10 قوالب ومحاذاة لربط الخيوط المحددة بواسطة برامج Loomis threading.
يتم تقييم جودة محاذاة الخيوط بناء على درجة Z الطبيعية ، حيث تعكس القيمة الأكبر من واحد محاذاة واثقة. يتم تمييز المخلفات المحاذاة في القالب المتطابقة مع بقايا الاستعلام المقابلة بالألوان للإشارة إلى وجود بقايا أو شكل محفوظ. على العكس من ذلك ، يشير الافتقار إلى المحاذاة في معظم القوالب العلوية إلى وجود مجالات متعددة في بروتين الاستعلام وتتوافق المخلفات غير المحاذاة مع مناطق رابط المجال.
يعرض هذا الجدول أفضل 10 نظائر هيكلية محددة ومحاذاة هيكلية تم تحديدها بواسطة برنامج المحاذاة الهيكلية المحاذاة TM. يعتمد ترتيب النظائر على درجة TM للمحاذاة الهيكلية. تشير درجة TM أكبر من 0.5 إلى أن الهيكلين المقارنتين لهما طوبولوجيا متشابهة.
بينما تعني درجة TM أقل من 0.3 تشابها بين بنيين عشوائيين. يتم تمييز أزواج البقايا المحاذاة هيكليا بالألوان بناء على خاصية الأحماض الأمينية بينما يشار إلى المناطق غير المحاذاة بشرطة شرطة. فيما يلي مثال على صفحة نتائج ITR التي تعرض متماثلات الإنزيم المحددة لبروتين الاستعلام في مكتبة PDB.
يتم تحليل مستوى الثقة في التنبؤ برقم EC بناء على درجة EC ، حيث تشير درجة EC الأكبر من 1.1 إلى التشابه الوظيفي بين الاستعلام وبروتين القالب. يتضمن جدول التنبؤ بمصطلح الأنطولوجيا الجينية لبروتين الاستعلام متماثلات وظيفية لبروتين الاستعلام في مكتبة قوالب الأنطولوجيا الجينية مرتبة بناء على درجة التماثل الوظيفي. يتم اشتقاق السمات الوظيفية الشائعة من هذه الضربات ذات النقاط الأعلى لإنشاء تنبؤات مصطلح الأنطولوجيا الجينية النهائية لبروتين الاستعلام.
يتم تقدير جودة مصطلحات الأنطولوجيا الجينية المتوقعة بناء على النتيجة الجغرافية ، حيث تشير الدرجة الجغرافية الأكبر من 0.5 إلى تنبؤ موثوق به موضح هنا كمثال على صفحة نتائج IT AZA التي تعرض أفضل 10 تنبؤات لموقع ربط روابط البروتين باستخدام خوارزمية العامل المساعد. يعتمد ترتيب مواقع الربط المتوقعة على عدد تأكيدات الترابط المتوقعة التي تشترك في جيب ربط مشترك. في الاستعلام ، تعد درجة BS مقياسا للتسلسل المحلي وتشابه الهيكل بين موقع ربط القوالب المتوقعة والقوالب وهي مفيدة لتحليل الحفاظ على جيوب موقع الربط.
على الرغم من أن ISER هي واحدة من أكثر الخوارزميات كفاءة لبنية البروتين والتنبؤ بالوظيفة ، فمن المهم أن تتذكر أنها مجرد تنبؤ من خوارزميات الكمبيوتر. أي بيانات تجريبية أو رؤى وظيفية ، على سبيل المثال ، معلومات ربط جهات اتصال المتخلفات ستكون مفيدة للغاية لزيادة دقة التنبؤات. يحتوي خادم IT AER على بوابة لتضمين هذه المعلومات أثناء إجراء النمذجة لاستيعاب الاهتمام المتزايد بها.
Aer ، أصدر مختبر Zang برنامج IT AER مجانا للأبحاث غير التجارية. نحن نعمل بنشاط على تطوير تحسين AER لتكنولوجيا المعلومات وتحسين متذوق العيون ، وعلى أمل أن يؤدي توفره إلى تطبيق واسع النطاق خارج مختبر Zang وسيفيد ويحفز المزيد من البحث في المجتمع العلمي.
نظرة عامة
تصف هذه المقالة خط أنابيب I-TASSER للتنبؤ بالهياكل ثلاثية الأبعاد والوظائف للبروتينات من تسلسلات الأحماض الأمينية الخاصة بها. يتضمن العملية ترتيب الخيوط، وتجميع الأجزاء، والاستدلال الوظيفي بناءً على الهياكل المعروفة للبروتينات.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- البيولوجيا الحسابية
- البيولوجيا الهيكلية
- علم المعلومات الحيوية
الخلفية
- فهم هيكل البروتين ضروري لتوضيح وظيفته.
- الطرق الحالية للتنبؤ بالهيكل لها حدود.
- I-TASSER يقدم نهجًا جديدًا من خلال تجميع الأجزاء.
- الطريقة تستخدم التعلم الآلي للتنبؤ بالهيكل الثانوي.
غرض الدراسة
- تقديم بروتوكول مفصل لاستخدام خط أنابيب I-TASSER.
- لتعزيز دقة التنبؤ بهياكل البروتين.
- تسهيل التعليقات التوضيحية الوظيفية بناءً على الهياكل المتنبأة.
الطرق المستخدمة
- التعلم الآلي للتنبؤ بالهيكل الثانوي.
- ترتيب الخيوط لمطابقة التسلسلات مع الهياكل المعروفة.
- تجميع الأجزاء لبناء نماذج كاملة الطول.
- تحسين النماذج لتحسين الروابط الهيدروجينية والتصادم الفراغي.
النتائج الرئيسية
- تم إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الجودة للبروتينات.
- تم إجراء تنبؤات وظيفية بناءً على التشابهات الهيكلية.
- أظهر خط أنابيب I-TASSER دقة محسنة مقارنة بالطرق التقليدية.
- يمكن للمستخدمين إرسال التسلسلات عبر الإنترنت للنمذجة.
الاستنتاجات
- I-TASSER هو أداة قوية للتنبؤ بهياكل ووظائف البروتين.
- كفاءة الطريقة تعزز من خلال استخدام مجموعة الحاسوب.
- التحسين المستمر مطلوب لتقليل أوقات الانتظار للمستخدمين.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Computational protein structure and function prediction enables target de-risking in early drug discovery by providing mechanistic insights for experimentally uncharacterized proteins. The I-TASSER pipeline supports hypothesis testing and functional annotation, improving predictive confidence in target selection and lead identification workflows. This approach reduces reliance on low-throughput experimental methods and accelerates target validation in biopharma R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through structure-based functional predictions for target proteins.
- Operational Value: Provides confidence scores for structural models to prioritize targets with higher predictive reliability.
- Portfolio Impact: Supports target triage by identifying proteins with confident structural and functional predictions for downstream investment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates predicted ligand binding sites to inform assay design for screening campaigns.
- Operational Value: Delivers standardized structural outputs (e.g., solvent accessibility, secondary structure) for consistent compound interaction modeling.
- Portfolio Impact: Enables in silico screening readiness by providing structural models for virtual docking and hit identification.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by linking sequence to structure to function in disease-relevant systems.
- Operational Value: Offers Gene Ontology and enzyme commission predictions to align targets with biological pathways and disease mechanisms.
- Portfolio Impact: Improves translational continuity by providing functional annotations that support target validation across discovery stages.
Pipeline & Workflow Integration
The I-TASSER method integrates into the discovery continuum from target identification through lead optimization by delivering structural and functional insights that inform decision-making at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification through threading alignments and structural analog identification.
- Screening: Enables assay readiness by providing predicted binding sites and structural models for compound interaction studies.
- Analytics: Delivers quantitative outputs including TM score, RMSD, EC score, and GS score to assess model and prediction quality.
- Translational Research: Connects structure to function via Gene Ontology and ligand binding predictions to support preclinical target validation.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable computational platform for iterative modeling across multiple targets and projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target function and structure through confidence-scored models and consensus-based annotations.
- Operational Value: Ensures reproducibility and scalability via distributed computing on computer clusters for high-throughput modeling.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in target validation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on structural and functional prediction confidence.
Implementation Considerations
- Requires expertise in computational biology and structural bioinformatics to interpret model quality and functional annotations.
- Depends on access to computational infrastructure (e.g., computer clusters) for timely processing of modeling jobs.
- Necessitates standardization of input sequences and optional constraints (e.g., user-specified distance maps) for consistent results across teams.
- Involves adaptation considerations when applying to multi-domain proteins, where domain splitting may be recommended based on threading coverage.
- Limited by the absence of experimental restraints, which can improve accuracy when available but are not required for baseline predictions.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
3:37
Structure Analysis
2:21
Running the I-TASSER Server
7:30
Structural Analogs in PDB and Enzyme Commission Number Prediction
9:20
Gene Ontology (GO) Term and Protein-ligand Bind site Predictions
5:58
LOMETS Target Template Alignment
12:05
Representative I-TASSER Results
15:43
Conclusion
