方法文章

一种用于生成高质量机器可读生物通路的网络工具

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DOI：

10.3791/54869

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2017年2月8日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Computer Science, University of Alberta, 2Department of Biological Sciences, University of Alberta

本文内容

摘要

PathWhiz 是一种综合性的在线通路绘图工具，用于生成生物化学和生物学通路。该工具利用公开可访问的数据库以及由预绘制通路组件构成的易于扩展的调色板。本方案描述了如何轻松构建新通路、复制并编辑现有通路，以及将先前绘制的通路传播至不同生物体的方法。

摘要

PathWhiz 是一个网络服务器，旨在促进创建色彩丰富、交互性强、视觉效果佳且富含生物学信息的通路图。该在线应用程序生成的通路图具有机器可读性，并几乎与所有网页浏览器和计算机操作系统完全兼容。它采用一种专门开发的、支持网络的通路绘图界面，允许选择和放置不同组合的预绘制生物或生化实体，以描绘反应、相互作用、转运过程和结合事件。这些实体包括化学化合物、蛋白质、核酸、细胞膜、亚细胞结构、组织和器官。其中所有视觉元素均可交互式调整和自定义。此外，由于该工具为网络服务器，所有通路及通路元素均可公开访问。这种通路“众包”模式意味着 PathWhiz 已经包含大量且快速增长的已绘制通路和通路元素集合。本文描述了一种快速简便地创建新通路以及修改现有通路的实验方案。为进一步促进通路的编辑与创建，该工具包含复制和传播功能。复制功能允许将现有通路用作模板来创建或编辑新通路。传播功能允许用户选取一条现有通路并自动将其扩展至不同物种。使用该工具创建的通路可“重新设计”为不同格式（如 KEGG 风格或教科书风格），使用不同背景着色，导出为 BioPAX、SBGN-ML、SBML 或 PWML 数据交换格式，并以 PNG 或 SVG 图像形式下载。这些通路可轻松整合到在线数据库中，用于演示文稿、海报或出版物，或专门用于在线可视化与探索。该方案已成功应用于生成超过 2,000 张通路图，这些通路图现已被广泛收录于 HMDB、DrugBank、SMPDB 和 ECMDB 等多个在线数据库中。

引言

生物通路图解如同生命科学家的研究蓝图。它们可能是描述生物过程以及基因、蛋白质和代谢物之间上下文关联的最简洁且信息量最丰富的途径。这是因为图像比文字能更高效地被人类处理，也更容易被理解1。通路图解的质量、细节和内容差异较大，这些差异通常取决于通路的预期用途以及绘图人员的技术水平。为教育目的（如墙贴图表或教科书）创建的通路通常由专业绘图人员制作，因此这类通路图解在视觉上更具吸引力，并提供更丰富的生物学细节，完整展示代谢物结构、亚细胞组分、细胞结构、组织和器官。这些“教科书式”图解通常还包含详细的注释和说明。另一方面，为互联网应用设计的通路图解往往需要牺牲艺术性和视觉丰富性，转而采用简化的、机器可读的“线路图”形式。这种线框图更易于进行图像映射和超链接。简化的通路图解构成了诸如 KEGG2、MetaCyc3、WikiPathways4 和 Reactome5 等流行在线通路数据库的基础。计算机兼容通路数据库的出现也催生了相应的通路绘图工具。换句话说，用户无需成为专业艺术家或程序员，也能生成可用的通路图解。例如，BioCyc 的 Pathway Tools6 和 WikiPathways 的 PathVisio 软件7 允许用户自由生成并共享以 BioPAX8 和/或 HTML 格式存储的机器可读通路。此外，还存在多种其他独立的免费软件包以及商业软件包，支持生成各种机器可读的线框式通路图，例如 Cytoscape9、GenMAPP10, PathCase11 和 VisANT12。

互联网通路图的简化在很大程度上源于许多网络浏览器和基于网络的渲染工具所存在的历史局限性。然而，近年来网络技术已取得显著进步。这表明，有可能生成既色彩丰富、视觉美观，又在生物学信息完整性方面堪比教科书的交互式、兼容互联网的通路图。这项工作促成了 PathWhiz 的开发。PathWhiz 采用 Ruby on Rails（http://rubyonrails.org，版本 4.2.0）网络框架实现，并结合 MySQL 关系型数据库（https://www.mysql.com，版本 5.1.50）来管理所有通路数据，包括实体关系、外部引用、描述信息、可视化规范以及化学结构。前端网页客户端由 Ruby on Rails 控制，同时采用 Backbone.js（http://backbonejs.org，版本 1.0.0）作为编辑器的前端网页框架。

PathWhiz最初为仅限人类的小分子通路数据库（SMPDB）的编纂而开发13，14，现已扩展至支持多种其他生物体的通路生成，并作为通用的通路图像与知识数据库发挥作用。特别是，该网络工具支持生成各类生物化学/生物学通路，包括代谢通路、蛋白质相互作用通路、分子信号通路、生理通路以及药物/疾病通路。该通路绘制工具在三个方面显著区别于大多数其他通路生成工具：1）它是一个网络服务器，而非独立的可安装软件包；2）它支持化学化合物、蛋白质、核酸、细胞膜、亚细胞结构、组织和器官的便捷生成与交互式可视化；3）它允许用户便捷地借鉴、构建或改进其他用户的工作，从而实现“众包式”通路生成。作为一种网络服务器，它相较于可下载的、平台特定的软件工具具有多项优势：尤其体现在其兼容任何平台、操作系统和现代网络浏览器。此外，用户无需注册即可开始创建通路（尽管用户可自由创建“私人账户”以追踪和控制其所创建通路的可访问性）。该工具最吸引人的特点或许是能够通过一组预渲染图像和一个庞大的蛋白质与生物化学数据数据库，轻松地向任意通路中添加丰富的生物学与生物化学细节。这使得“非艺术人员”和“非编程人员”也能轻松创建色彩丰富、美观且细节详尽、兼容网络并完全可被机器读取的通路图。表1提供了PathWhiz与其他通路绘制工具之间更详细的比较。

许多知名的生命科学数据库已使用该通路绘制工具创建了特定于数据库的在线交互式通路图。例如，Escherichia coli 代谢组数据库（ECMDB）15最近使用基于网页的工具绘制了超过1,650条通路，对其通路库进行了更新。现在，ECMDB中的每条通路均以色彩丰富、完全超链接的图像地图形式展示，包含详细的代谢物和蛋白质结构图示，同时还提供简化的黑白KEGG风格线框图。此次大规模的通路更新发现了许多此前未被其他Escherichia coli代谢数据库收录的中间代谢物。其他数据库，如人类代谢组数据库（HMDB）15，不仅依赖PathWhiz通路来描绘和描述代谢与信号通路，还用于展示癌症等疾病相关的代谢变化。目前，HMDB包含了101条代谢通路、376条药物作用通路、233条与疾病相关的通路以及16条信号通路，均由该网络工具生成。

以下方案详细描述了如何利用 PathWhiz 轻松创建、复制和传播用于多种目的和应用的生物化学通路。

方案

1. 通路生成

  1. 使用任何现代网络浏览器访问 http://smpdb.ca/pathwhiz。
  2. 从菜单栏中选择以下任意一项 "试试看！" 以访客身份使用该工具（所绘制的通路将公开）， "注册" 注册账户（所绘制的通路仅可由用户本人编辑），或 "登录" 使用现有账户。如需注册账户，请转至步骤 1.2.1；否则请转至步骤 1.3。
    1. 注册账户时，填写包含电子邮件、姓名、单位、城市、国家以及至少8个字符的密码（需确认密码）的表单，然后点击 "注册".
  3. 如果未自动重定向至通路索引页面，请选择 "绘制" 菜单栏中的链接。此索引页面将显示现有通路的表格。点击 "新建通路" 单击按钮以开始创建新通路。
  4. 输入要绘制的通路名称（例如 三羧酸循环
  5. 从下拉列表中选择要绘制的通路类型（例如 疾病/药物/代谢/信号转导/生理过程。可以生成化学物质通路、蛋白质信号通路、DNA/RNA通路或蛋白质-蛋白质相互作用通路。
  6. 在自动补全框中输入生物体的科学名称以搜索并选择物种（例如，类型 Escherichia coli). 如果下拉列表中未找到该生物体的名称，请点击 "新建" 按钮，并按照步骤 1.6.1 至 1.6.5 添加新物种，否则继续进行步骤 1.7。
    1. 输入物种的学名（例如 Gorilla gorilla 以及通用名称（例如 大猩猩
    2. 从下拉列表中选择物种的分类为真核生物或原核生物，并输入 NCBI 分类数据库中的分类 ID（例如 9593).
    3. 点击 "创建物种" 按钮。
  7. 输入该通路的详细描述。示例请参见补充文件1。描述越完整，用户搜索和查找该通路就越容易，该通路在用户中的受欢迎程度也会越高。
  8. 通过点击将外部参考文献添加到通路中 "添加参考文献" 按钮，然后执行步骤 1.8.1 至 1.8.2，否则转至步骤 1.9。
    1. 输入 PubMed ID（系统将自动生成引文文本），或手动添加引文文本（并保持 PubMed ID 字段为空）例如 PMC545700，或 Kang Y 等 全基因组表达分析表明，FNR 蛋白 Escherichia coli K-12 调控大量功能未知的基因。 细菌学杂志 187(3):1135-1160. doi:10.1128/JB.187.3.1135-1160.2005)
    2. 重复此过程，直至添加所有需要的参考文献。
      注意：在大多数情况下，只需添加一到两个参考文献即可。然而，添加的元数据越多，该通路的受欢迎程度可能越高。
  9. 点击 "创建通路" 按钮。一个带有灰色菜单栏的白色网格画布将出现，此处即为绘图区域。
  10. 点击 "添加过程" 链接并选择 "添加反应" 添加第一个过程的可视化。例如，从一个反应开始，展示草酰乙酸在柠檬酸合酶的作用下转化为柠檬酸。
    注意：过程是指生物事件或活动。过程可分为四类：反应、转运事件、相互作用和结合事件。本示例展示了一个反应，但添加任何类型的过程均遵循相同的原则。
  11. 在自动补全框中输入反应物、产物或酶以搜索现有反应（例如。 "草酰乙酸" 或 "乙酰辅酶A"）。滚动浏览现有反应以找到目标反应，选择该反应后直接进入步骤 1.12；若未找到目标反应，则点击 "新反应" 按钮，并按照步骤 1.11.1 至 1.11.11 将新的反应模型添加到数据库中。
    1. 在“新建反应”表单中，点击 "添加左侧元素" 单击按钮以在反应左侧添加反应物。反应以反应方程式形式表示，包含左侧和右侧。
    2. 选择化学计量数和元素类型（化合物/蛋白质复合物/元素集合/核酸/结合元素）。在自动补全框中通过名称搜索元素（例如 "草酰乙酸"）。选择所需元素。转至步骤 1.11.3；若未找到所需元素，则点击 "新建" 按钮，并按照步骤 1.11.2.1 进行操作。
      1. 在新元素表单中，正确填写相应字段并保存。
    3. 对反应左侧涉及的每一种元素，重复步骤 1.11.1 和 1.11.2例如 再添加两种化合物， "乙酰辅酶A" 和 "水").
    4. 从下拉列表中选择通路的方向（例如，选择从左向右指向的箭头）。
      注：箭头表示包括从左到右、从右到左和可逆三种形式。
    5. 反应的左侧元素完成后，单击 "添加右侧元素" 按钮以添加产物。
    6. 选择化学计量和元素类型，方法同步骤 1.11.2。在自动补全框中按名称搜索该元素（例如 "柠檬酸"）并选择所需元素。如果未找到所需元素，请点击 "新建" 按钮，并按照步骤 1.11.2.1 进行操作。
    7. 对反应右侧涉及的每一种元素，重复步骤 1.11.5 和 1.11.6例如 添加 "氢离子" 和 "辅酶A").
    8. 在生成反应物和产物后，单击 "添加酶" 单击按钮以向反应中添加酶。
    9. 在自动补全框中输入酶的名称进行搜索（例如 "柠檬酸合酶"）并选择所需的酶。如果该酶不存在于数据库中，请点击 "新建" 按钮，并按照步骤 1.11.9.1 至 1.11.9.7 进行操作。
      1. 创建新酶时，使用“新酶”表单在相应的标签页中填写酶名称和物种信息（例如 名称：柠檬酸合酶，物种： 大肠杆菌).
      2. 点击 "添加蛋白质" 按钮以添加物种特异性信息（即 该酶的序列和四级结构信息
      3. 填写化学计量数，然后在自动补全框中通过蛋白质名称（Citrate Synthase）、基因名称（gltA）或UniProt ID搜索该蛋白质。选择所需的蛋白质；如果未找到目标蛋白质，则点击 "新建" 按钮，并按照步骤 1.11.9.3.1 进行操作。
        1. 在“新建蛋白质”表单中，正确填写各字段信息，然后点击 "创建蛋白质" 按钮。必填字段包括名称和UniProt ID。其余字段为可选。
      4. 使用 "添加修饰" 和/或 "添加辅因子" 根据需要，使用按钮添加蛋白质修饰或酶辅因子；本例中均不需要。适当填写各个字段。
      5. 点击 "添加生物状态" 单击按钮以向酶添加亚细胞定位。
      6. 在自动补全框中输入物种、细胞类型和/或亚细胞位置，以搜索所需的生物学状态（例如 "大肠杆菌细胞，细胞质"）。选择所需的状态；如果未找到所需状态，请点击 "新建" 按钮，然后进入步骤 1.11.9.6.1。
        1. 在“新建生物状态”表单中，适当填写各个字段。如果物种， 等等。未找到时，使用 "新建" 按钮，具体步骤如上文1.6.1至1.6.5所述。完成后，点击 "创建生物状态" 按钮。
      7. 点击 "创建酶" 保存酶的按钮。
    10. 如有需要，重复步骤 1.11.8 至 1.11.9 以添加其他酶。
      注意：一个反应可能关联多种不同的酶，且这些酶不必属于相同的生物状态或物种（只要反应物和产物相同即可）。在绘制反应时，可选择显示其关联的哪些酶。
    11. 单击 "创建反应" 单击按钮以保存新反应。
  12. 如果已知，请在“生物学状态”字段中指定该反应在亚细胞结构中的位置（针对此特定通路）。
  13. 从下拉列表中选择反应初始呈现所需的方向（从左到右、从右到左、水平/垂直）例如 选择从左到右和水平方向。
  14. 点击 "创建反应" 按钮。新创建的反应将显示在绘图画布上。
  15. 使用鼠标或触摸板，点击并拖动画布上的反应元素以按需重新定位。按照步骤 1.15.1 至 1.15.5 对最近创建的反应中的反应元素（化合物、边和/或酶）进行重新定位和编辑。
    1. 通过单击每个元素以逐个将其添加到当前选择中，或使用光标围绕相关元素拖拽出一个方框以同时选择一个或多个元素（化合物、边和/或酶）。被选中的元素将显示为红色。
      1. 使用鼠标或触摸板将选定的元素拖动到画布上的目标区域（通常为画布中心）以重新定位。通过再次单击元素，或单击空白画布区域，可取消选中元素。
    2. 双击一个化学化合物（该化合物将被灰色虚线框包围），以打开屏幕右侧出现的弹出式侧边栏。使用该侧边栏编辑模板、生物状态、z轴顺序以及完整的反应细节。
      1. 从可用选项中选择一种模板类型（大型、中型或小型化合物可视化，大型、中型或小型药物可视化，辅因子可视化，简单底部、从左到右或顶部可视化）。添加生物学状态，并根据需要编辑 z-index。
        注意：除用于区分化合物类型外，最好在整个通路中保持模板类型的一致性。 即 药物与代谢物
    3. 双击一个蛋白质/酶（其周围将出现灰色虚线框），以打开一个弹出式侧边栏（显示在屏幕右侧）。使用该侧边栏可编辑模板、生物状态、z-index、蛋白质复合物详情以及完整的反应信息。
      1. 从可用选项中选择一种模板类型（酶单体、二聚体或四聚体、无标签、蛋白质标签或亚基标签、转运蛋白、受体或阻遏蛋白）。添加生物状态，并根据需要编辑 z-index。
        注：提供不同颜色以区分蛋白质；默认颜色设置为绿色。
    4. 要编辑整个过程的信息，请双击其任意元素（该元素将被虚线灰色框包围），然后访问 "编辑所选内容" 次级菜单栏（灰色）中的链接。将显示两个选项： "编辑 <元件>" 和 "编辑 <流程>".
      注意： "编辑 <元件>" 将引导用户前往相应元素的侧边栏。 "编辑 <流程>" 将显示可供选择的选项 "编辑详情"，更改过程的呈现方向（水平/垂直以及从左到右/从右到左），或重新连接边（同样支持水平/垂直以及从左到右/从右到左）。点击“编辑详情”链接将进入一个界面，在该界面中可同时编辑反应及其所有元素的详细信息，包括生物状态、模板和 z-index。可根据需要在显示中添加或移除酶，并可选择隐藏某些元素或边。例如，双击氢离子元素，然后点击 "编辑所选内容"将光标置于 "编辑 乙酰辅酶A + 草酰乙酸 + 水 → 柠檬酸 + 辅酶A + 氢离子" 并选择 "编辑详情"为每种化合物添加一个生物状态大肠杆菌，细胞，细胞质）。完成后，滚动至页面底部，点击紫色按钮 "更新反应" 按钮。此阶段仅可添加已与此反应相关联的酶。若需向反应模型中添加新的酶，请返回反应索引（位于 "过程" 标签页），找到所需的反应并添加到其中。
    5. 通过单击或双击编辑反应边。
      1. 选择反应边以像操作化合物和蛋白质一样对其进行操控。单击并拖动边可移动整条边。
        注意：也可以点击并拖动起点和终点来改变边的长度。当一条边的起点/终点被选中后，相关的 "旋钮" 可进行调整以控制起点/终点的方向和曲率。要向边上添加额外的节点，请先选中该边，注意出现的蓝色矩形；单击矩形上半部分可添加节点，单击下半部分可删除节点。
      2. 双击边的起点/终点，可在指向箭头、阻断箭头和无箭头选项之间循环切换。
  16. 第一个反应按要求绘制完成后，选择该反应的一个产物（例如 柠檬酸）通过双击它（注意其颜色变为红色），以便将下一个过程添加到该反应产物上（在此情况下为柠檬酸至 顺式-通过顺乌头酸水合酶的顺乌头酸
  17. 选择后，单击 "添加过程" 标签，然后单击 "添加反应" 选项
  18. 通过重复添加反应的步骤（1.11 至 1.15），在此特定示例中向三羧酸循环（TCA Cycle）添加另一个反应。由于该反应基于已有反应的产物构建，因此仅显示包含所选元素的反应。
  19. 通过为每个反应重复执行步骤 1.11 至 1.15，添加三羧酸循环的其余反应。
  20. 添加完所有反应后，通过单击 "添加视觉元素" 链接并选择其中一个 "添加膜", "添加图像", "添加缩放框" 或 "添加标签" 选项。按照步骤 1.20.1 至 1.20.4 添加视觉元素。
    1. 单击 "添加膜" 添加细胞膜的选项。通过双击该膜以访问侧边栏来编辑此膜。在侧边栏的模板字段中选择膜的类型。选择 "封闭膜" 提供渲染带边框膜的选项。
    2. 单击 "添加图像" 可选择添加当前存在于 PathWhiz 数据库中的图像（标准图像包括器官、细胞器和组织）。通过双击图像可打开侧边栏以进行编辑。编辑选项直观易懂，包括使用 z-index 进行深度缩放、放大/缩小、向左旋转/向右旋转。
    3. 点击 "添加缩放框" 添加缩放框至特定图像的选项。
    4. 点击 "添加标签" 添加文本标签的选项。通过双击标签以访问其侧边栏来编辑标签。编辑选项包括标签模板、文本和 z-index。
      注意： "添加空元素" 链接提供了向画布添加与任何过程均无关联的额外化合物、蛋白质、核酸、元件集合或边的选项。这些元件最初会显示在画布的左上角，表现为可随意编辑的独立元素，用户可通过侧边栏选择所需元件并修改其可视化细节。在添加任何空元素之前，应先将该元件整合至通路中，以保持通路的整洁性。空元素仅用于辅助视觉理解即 用于说明转录过程中存在多种tRNA，而非表示完整的过程组分。应谨慎使用，因为它们仅在可视化中显示，不会被纳入机器可读格式（BioPAX、SBML、SBGN、PWML）。
  21. 通过点击添加子通路 "添加过程" 链接并选择 "添加子通路" 选项
    注意：子通路也可以按照步骤 1.16 至 1.18 中所示的方法连接到现有反应。添加子通路可以降低大型或复杂通路的复杂性，也可用于提供已知通路之间关联的额外信息。
  22. 在自动补全框中搜索子通路名称。只有为此通路已定义的子通路才会出现在自动补全框中，因此如果这是新通路，则不会显示任何子通路。如果所需子通路不存在，请点击 "新建子通路" 按钮，并按照步骤 1.22.1 至 1.22.3 进行操作。
    1. 选择子通路类型（子通路/抑制性子通路/激活性子通路）。
    2. 输入子通路名称。
    3. 以与添加反应物和产物到反应中相同的方式（如上文步骤1.11.1至1.11.3所述），向子通路中添加输入和输出元素。
      注意：一个子通路应至少包含一个输入或输出元件。这使得子通路能够与其他通路中的过程相连接，方式类似于反应的串联（如上述步骤1.16至1.18所示）。
    4. 单击 "创建子通路" 按钮。
  23. 通过点击调整通路图的画布大小 "其他" 链接并选择 "更改画布大小" 选项。要更改画布大小，请按照步骤 1.23.1 至 1.23.3 进行操作。
    1. 填写 "新高度" 字段和 "新宽度" 相应字段。
    2. 通过点击网格中相应的按钮，选择画布尺寸应增大或减小的指定方向 "锚点" 部分。
    3. 单击 "更新画布尺寸" 按钮。
  24. 或者，自动调整画布大小。当通路绘制完成后，单击 "其他" 链接并选择 "调整画布以适应通路" 选项。此操作将自动裁剪现有通路元素周围的画布。
  25. 当通路绘制完成后，点击 "代谢通路" 链接并选择 "导出与查看" 选项
  26. 使用 "图片背景颜色" 可选择将图像的背景颜色设为蓝色或白色。
  27. 选择“是”或“否” "同时生成简化版本？" 选项。如果选择“是”，将为该通路自动生成一个类似KEGG的线框图。
  28. 点击 "生成图像文件" 按钮。
    注意：此操作将生成该通路的不同数据交换格式和图像文件。每次更新通路后，必须重新生成图像，且此过程可能需要数分钟。
  29. 图像生成后，点击 "在查看器中显示" 单击按钮即可在浏览器中查看完全超链接的高分辨率通路图像。
    注意： "在查看器中显示" 按钮仅在通路图像生成后才会显示。此界面还包含以多种数据交换格式和图像格式下载通路的链接。

2. 通路复制

注意：通路复制是一种快速简便的方法，可将 PathWhiz 数据库中已有的通路进行复制，以便作为进一步编辑或修改的模板。如尚未登录，请按照步骤 1.1 至 1.3 完成登录。

  1. 如果尚未进入通路索引页面，请点击进入 "通路" 在主菜单栏中，通过在搜索栏中输入目标通路的名称并点击 "搜索" 按钮（例如 "三羧酸循环").
  2. 找到要复制的通路（例如 "三羧酸循环"），然后点击绿色的 "复制" 按钮。
  3. 如有需要，可编辑通路名称（例如 类型 "三羧酸循环练习". 没有两条通路可以具有相同的名称。
  4. 输入该通路的新描述或不同描述（参见步骤 1.7）。
  5. 要向通路添加新的或不同的参考文献，请点击 "添加参考文献" 按钮，并按照上述步骤 1.8 进行操作。
  6. 点击 "创建通路" 按钮。在通路构建过程中，将出现一个紫色进度轮。此过程可能需要几分钟或更长时间，具体取决于通路的大小。
  7. 使用步骤 1.10 至 1.22 编辑或添加通路中任何所需的元素。
  8. 按照步骤 1.23 至 1.29 完成并导出通路。

3. 通路传播

注意：通路传播是一种快速简便的方法，可将 PathWhiz 数据库中某一生物体（e.g. Escherichia coli）的现有通路用于创建另一生物体（e.g. Staphylococcus aureus）的相似通路。该过程包括查找并替换 S. aureus 蛋白以替代 E. coli 蛋白，并使用 S. aureus 蛋白或基因重新生成整个通路。要传播通路，请首先执行上述步骤 2.1 至 2.2。

  1. 找到要传播的通路（本例中为TCA循环），然后点击“显示”按钮。
  2. 点击右上角的“传播”按钮。
  3. 在传播表单中，点击“添加物种”按钮，以确定将现有通路转换至的目标物种。可添加多个物种，但物种数量越多，转换所需时间越长。
  4. 搜索已有物种，或按照上述步骤1.6.1至1.6.5添加新物种。
  5. 如需要，可更改E值以确定查找蛋白同源物的相似性阈值。选择“仅限已审阅蛋白”选项中的“是”或“否”（该选项指明在生成的通路中应使用哪些UniProt蛋白）。
  6. 点击“传播通路”按钮。
  7. 在弹出窗口中点击“确定”按钮。
    注意：通路传播过程中将出现一个紫色进度轮。此过程可能需要数分钟或更长时间，具体取决于通路的大小以及初始通路所要传播的物种数量。
  8. 传播完成后将出现第二个弹出窗口，点击“确定”按钮。系统将生成一个索引，显示此次传播所生成的所有新通路。
  9. 通过该索引查看各通路的详细信息，并点击“绘制”按钮以查看和编辑每条新通路。
  10. 使用步骤1.10至1.22对通路进行编辑或添加所需元素。
  11. 按照步骤1.23至1.29完成并导出通路。

4. 编辑现有通路

注意：在某些情况下，需要向现有通路添加新信息，或更正通路中的错误信息。要编辑现有通路，请首先按照步骤 1.1 至 1.3 进行登录。

  1. 如果尚未进入通路索引页面，请点击主菜单栏上的“Pathways”进入。
  2. 找到需要编辑的通路（本例中为“TCA Cycle”）。若需编辑图像，请点击“Draw”按钮；若需编辑描述或参考文献，请点击“Edit”按钮。
    1. 如需编辑图像，请按照上述步骤 1.10 至 1.29 进行操作。
    2. 如需编辑通路描述或参考文献，请按照步骤 1.4 至 1.8 操作，完成后点击“Update Pathway”按钮以保存更改。
  3. 通过执行步骤 1.25 至 1.28 重新生成图像，以更新所做的更改。

5. 通路的查看与下载

注意：该基于网络的工具包含数千条精心绘制和编辑的通路图，可用于不同用途的查看或下载。如需查看或下载通路图，请按照步骤 1.1 至 1.3 进行登录。

  1. 如果尚未进入通路索引页面，请点击主菜单栏上的“通路”以进入。
  2. 找到要下载的通路（本例中为三羧酸循环），然后点击“显示”按钮。
  3. 点击“在查看器中显示”标签旁带有目标 PathWhiz ID 的紫色按钮（可能有多个 ID）。
  4. 点击侧边栏中的“下载”标签。
  5. 点击超链接，以下载该通路的各种文件格式。

结果

本文所述的网络服务器主要通路生成工具如图1和图2所示。各选项卡提供的菜单选项也一并展示。图3和图4提供了一组通路创建过程的截图。图5提供了一组反应创建过程的截图。图6展示了在线通路查看器及其菜单。

PathWhiz 可用于生成包含多种内容类型和样式的通路图，其中包括“传统”代谢通路（图7），显示副作用的疾病和药物通路（图8）以及药物反应（图9），以及蛋白质信号通路（图10）。通路图可以采用丰富的色彩并包含大量的生物学细节，也可以转换为简单的黑白图示（图11）。完成后，这些通路可在交互式通路查看器中查看（图6），可下载为图像，或以多种不同的机器可读数据交换格式导出，用于进一步分析。请注意，不同数据交换格式的质量取决于最初绘制通路时输入数据的质量。例如，添加更详细的反应信息（即 化学计量比、生物状态）将生成更全面的 BioPAX。另一方面，由于视觉表达需要（例如显示结合状态的分子或蛋白质复合物）而包含重叠元素的通路图，在 SBGN-ML 中也可能产生重叠的图符。

通路图创建界面；用于化学过程和元素的网格布局。
图 1：通路编辑器界面。 编辑器界面由三个主要部分组成：顶部主菜单栏、次级菜单栏和带网格的画布。顶部主菜单栏（紫色）提供用于查看、编辑和创建通路元素的链接。下方的次级菜单栏（灰色）提供用于在当前通路图中添加和编辑可视化通路元素的链接，例如反应、相互作用、转运过程、子通路、化合物、蛋白质、核酸，以及膜结构、细胞/亚细胞图像、放大框和标签。该菜单还包括两个选项卡，用于编辑所选元素或编辑画布。菜单栏下方的白色网格画布是添加反应通路和过程的位置。放大框作为视觉提示，用于指示图像中选定区域的放大效果。它由一个小方块和一个可调整大小的四边形组成。小方块放置在需要放大或扩展的区域上，而四边形则作为画布，可在其中添加发生在该选定区域（由小方块标示）内的反应。通过双击放大框可打开其侧边栏进行编辑。编辑选项包括模板、颜色和 z-index 的下拉列表。在模板选项卡中选择顶部、右侧、左侧或底部，可更改放大框的显示方向。当放大框被选中时，可拖动黑色圆圈以调整其各组成部分的大小和格式。请点击此处查看该图的放大版本。

PathWhiz 软件界面；用于通路编辑和过程添加的菜单选项。
图 2：通路编辑器菜单。 编辑器菜单提供添加过程和元素的选项，以及编辑现有元素和画布的功能。（a）“通路”链接提供“编辑详情”和“导出与查看”选项。“编辑详情”选项允许编辑通路的描述和参考文献，而“导出与查看”选项允许生成或重新生成图像文件。（b）“添加过程”链接提供在画布上添加反应、相互作用、结合事件、转运事件、偶联反应的转运或子通路的选项。（c）“添加空元素”链接提供在画布上添加化合物、蛋白质、核酸、元素集合或边的选项。这些元素将显示在画布的左上角。添加任意元素后，画布上将出现该元素以及弹出式侧边栏，用户可在其中搜索目标元素或修改该元素的详细信息。为保持通路的整洁性，应在添加新的空元素之前先将当前元素整合到通路中。请点击此处查看该图的放大版本。

通路搜索界面，显示通路ID、类型、物种；具有编辑、复制选项等功能。
图3：通路索引表单。 通路索引提供当前存在的所有通路的集合，并配备搜索框以查询特定通路。可通过索引表顶部的过滤栏按名称、类型、物种和创建者对通路进行筛选。也可使用页面顶部的搜索栏按名称进行搜索。“高级搜索”功能可实现更精确的组合查询，支持按生物状态、类型、物种、化合物和蛋白质进行筛选。高级搜索支持使用 AND、OR 和 NOT 逻辑运算符构建复杂查询。每条通路包含5个按钮：“显示”、“编辑”、“绘图”、“删除”和“复制”。“显示”按钮用于通过查看器浏览该通路。“编辑”按钮用于编辑通路的元数据，包括名称、类型、物种、描述和参考文献。“绘图”按钮用于编辑包含通路的画布。“删除”按钮用于从数据库中移除该通路（需用户具备相应权限）。“复制”按钮用于复制所选通路。“上一页”和“下一页”按钮可帮助用户在通路页面之间导航。请点击此处查看该图的放大版本。

通路创建界面；字段包括通路名称、类型、物种、代谢分析注释。
图 4：新建通路表单。 点击“新建通路”按钮（见图 3）将进入此处所示的通路表单。该表单包含通路的名称、类型、物种和描述字段。“新建通路”按钮还允许用户基于已有通路开始，并添加参考信息。请点击此处查看该图的放大版本。

酶催化过程的反应可视化界面；反应设置和选项示意图。
图 5：新建反应表单。 “添加过程”链接允许用户添加新过程，例如反应或结合事件。添加过程将创建一个反应模型，由此可生成反应可视化图并添加至通路图中。反应模型与可视化图是两个独立的实体。(a) 反应字段支持通过反应物、产物或酶来搜索已有反应。生物状态字段支持搜索和选择已有的生物状态。选定反应后，可使用“添加酶”按钮添加相应的酶，该操作将弹出酶名称的自动补全框。渲染选项允许用户选择反应图的显示方向。可通过 (b) “新建反应”按钮创建新反应，点击后将进入新建反应表单，在其中可添加元素和酶。填写完所有字段后，可通过“创建反应”按钮完成反应创建。如需编辑底层反应模型，应退出通路绘图工具，进入反应索引页面，在其中查找并编辑相应反应。为防止数据不一致及意外修改已有通路，若某反应模型已在现有通路中存在可视化图，则不允许更改其反应物/产物或删除其酶。因此，对反应模型的修改不会自动更新已有的反应可视化图。若要体现反应模型的更改，必须将相应的可视化图重新添加到通路图中。请点击此处查看该图的高清版本。

三羧酸循环的代谢通路图，展示酶相互作用与分子转化过程。
图6：通路浏览器。 右上方的查看器界面按钮提供基本的导航、缩放和屏幕切换功能。中央视口显示通路，可通过点击并拖动或使用鼠标滚轮进行缩放来浏览。所显示的通路元素均设有超链接，可跳转至其他通路和数据库例如 HMDB、DrugBank、UniProt）。侧边栏显示由用户提供的通路描述及参考文献。侧边栏还包含“高亮”、“分析”、“下载”和“设置”选项卡。“高亮”选项卡允许选择并以红色突出显示化合物和酶。“分析”选项卡支持输入实验浓度数据，并使用颜色梯度将其映射到通路图中。“下载”选项卡提供相应可下载图像文件和数据交换文件的链接。PNG 文件为较小的非矢量图像文件。SVG + BioPAX 链接提供包含嵌入式 BioPAX 的较大矢量图像文件，以支持机器读取。BioPAX、SBML、SBGN 和 PWML 链接则提供不同的机器可读格式。“设置”选项卡允许对显示的通路图像进行可视化自定义。 请点击此处以查看此图的放大版本。

基因编辑流程图，CRISPR-Cas9 方法，DNA 转化步骤。
图 7：代谢通路示意图。 这是一个“传统”代谢通路的示例，描述了特定化合物（D-丝氨酸）的生物合成与降解过程。主要代谢物位于画布中央，反应和转运箭头（边）表示通路的流向。边和元素可自动“吸附”连接，i.e. 实现连接。元素的吸附点由元素侧边的透明红色圆圈表示，边的起点/终点由边端部的透明灰色圆圈表示。当鼠标悬停在吸附点上时，其颜色变为透明绿色；选中时则变为实心绿色。要将边吸附到元素上，首先单击边的起点/终点或元素的吸附点（该点将变为实心绿色），然后单击需要连接的另一个边的起点/终点或元素的吸附点。边将自动连接至该吸附点，并保持连接状态，直到被移除（通过双击边并拖动端点离开，或将其连接至另一个吸附点）。在移动边时需注意避免意外选中吸附点，因为这可能导致非预期的操作后果。选中吸附点时呈现的实心绿色旨在提醒用户当前已选中的吸附点。吸附点可通过再次单击来取消选中。边也可重新连接至其原始元素。当边被选中后，访问“编辑选中”菜单链接，然后点击“编辑边”链接，即可弹出选项，用于自动以不同方向连接该边。请点击此处查看该图的放大版本。

代谢通路图、生化过程、细胞系统相互作用、教育图表。
图8：疾病通路示意图。 这是一个疾病通路的示例，展示了受疾病影响的器官（肌氨酸肿瘤代谢物通路）。图中使用了额外的图像元素来表示代谢物浓度的升高或降低，以及其积累或消散情况。请点击此处查看该图的放大版本。

代谢通路图、化学过程、分子相互作用、酶促反应图谱。
图9：药物通路示意图。 这是一个药物代谢通路的示例，展示了药物在体内发生代谢的器官（布洛芬通路）。药物代谢物周围的颜色通常以粉红色表示。请点击此处查看该图的放大版本。

信号转导通路示意图，显示基因表达调控和转录因子。
图10：蛋白质信号通路示意图。 这是一个信号通路的示例，展示了不同蛋白质之间的一系列信号反应（EGFR通路）。蛋白质可用多种颜色表示，且可通过蛋白质名称或亚基名称来标注。请点击此处查看该图的放大版本。

显示脂肪酸降解代谢途径中酶相互作用和中间产物的示意图。
图11：彩色与简化的途径图示。 可在白色或蓝色背景上生成具有丰富生物学背景信息的彩色代谢途径图（a）。此处展示的是叶酸代谢途径。也可使用简单的黑白图示生成类似KEGG风格的简化途径图（b）。请点击此处查看该图的放大版本。

包含化学结构、反应过程和相互连接化合物的代谢通路示意图。
图 12：次优通路图像。 该图像展示了一个次优通路（三羧酸循环，TCA Cycle）的示例。元素重叠和交叉连线使得通路难以理解。当在画布上未仔细或正确地调整反应元素时，就可能发生这种情况。若对化合物使用超过两种不同的模板类型（如大、中、小化合物可视化或药物可视化、辅因子可视化、简单底部、左右或顶部可视化），会导致图像出现多种不一致。这些模板类型在步骤 1.15.2 中已展示。未正确连接连线会影响图像的流向，导致对通路的解读效果不佳。请点击此处查看该图的放大版本。

PathWhizVANTEDPathVisioPathway ToolsVisANT
网络服务器是否否否否
可安装程序否是是是是
蛋白质通路是是是否是
代谢通路是是是是是
保存为 PNG/JPG是是是否否
保存为 HTML是否否是否
保存为 SVG是是是否是
保存为 PDF是是是是是
保存为 BioPAX是是是是是
保存为 SBML是是是是是
保存为 SBGN-ML是是是否否
标识符映射是是是是是
膜结构渲染是否否否否
细胞器渲染是否否否否
器官渲染是否否否否
彩色丰富图像是否否否否
通路描述是否否是否
通路数据库链接是否是是否
通路推断是否否是否
实验数据叠加否是否是是
通路分析否是是是是

表1：功能比较。 多种常见通路编辑/渲染工具的功能对比。

补充文件 1：PathWhiz 通路中三羧酸循环描述示例。点击此处下载补充文件。

讨论

本文所述的创建简单代谢通路（三羧酸循环）的方案，可适用于为任意物种构建多种多样、机器可读且生物学上复杂的通路图。此外，本方案还描述了如何复制或传播其他用户已创建的现有通路。使用该工具构建通路需要逐步反复添加反应、相互作用、转运过程和子通路，这些过程通过重叠的元素相互连接。将所有这些内容整合起来，即可创建出色彩丰富、视觉效果良好的通路图，提供详尽的生物学细节和有用生物学背景信息。本方案中描述的步骤相对简单，构建通路图所需时间取决于通路的规模与复杂程度。经过一定练习后，大多数用户可在约15分钟内绘制出包含约15至20个反应或过程以及多个细胞组分的高质量通路图。全新用户可能需要30至40分钟来生成同等规模和复杂度的通路图。生成通路所需时间大致与需绘制的反应/过程数量呈线性关系。

通过该基于网络的工具创建高质量通路图，取决于源材料（来自书籍、在线数据库、实验数据或手绘草图的通路）的质量与详细程度，以及通路“绘制者”的细致程度。希望生成高质量通路图的用户应特别关注本协议的第1.11、1.15和1.20节，因为这些章节描述了反应元素（反应物/产物、酶、边、图像、缩放框、标签和膜结构）的创建与编辑过程。最佳的通路图应尽可能智能整合来自多种现有通路表示形式的信息，包括书籍、海报、论文和在线数据库中的内容。生成高质量通路的另一个关键是，在创建反应之前（通过本协议第1.11节），仔细核对反应的正确性。投入必要的时间和精力，确保所涉及的反应物、产物和酶（其中许多已存在于PathWhiz的大型数据库中）在每个物种中均准确无误，这一点至关重要。同时，还应注意反应发生的细胞定位，并包含关键的细胞或亚细胞组分，以提供正确的生物学背景。这可通过UniProt等在线数据库对反应进行核查和验证来实现。在开始绘制或渲染前，准备好所有必要的信息，并辅以一份粗略的手绘通路草图，将显著减少错误并缩短整体绘制时间。

可以预见，更大且更复杂的通路在渲染时将花费更长时间，特别是当所需元素和过程尚未存在于 PathWhiz 数据库中时。在处理较大通路时，通常建议从自动保存模式切换为手动保存模式，以避免操作之间出现较长的延迟。在复制通路时，用户等待通路生成所需的时间取决于通路中包含的元素数量。大多数通路可在约1至2分钟内完成复制。在传播通路时，新传播通路能否成功渲染取决于两个物种之间的相似程度，因为 PathWhiz 使用 BLAST17 序列搜索来查找物种间的同源酶。较大的通路传播速度较慢，因为需要对更多的酶运行 BLAST。尝试在差异较大的物种之间（例如酵母与人类之间）传播通路，将导致生成的通路中包含大量未知蛋白质。这些“远距离”传播的通路通常需要额外的手动编辑。由于通路图具有高度可视化特性，并可呈现丰富的细节，因此建议始终在配备足够大屏幕（>20英寸或>50厘米）和良好互联网连接（>5 mbps）的计算机上进行操作。

如果遇到渲染或屏幕刷新方面的问题，用户可能需要进行少量故障排查。如果大型复杂通路的更新耗时过长，用户可能需要刷新页面。如果通路未能按预期进行传播，用户可能需要进行一些手动编辑，以确保所有元素均正确显示。此外，以更具体的例子说明，如果反应中的某些元素未显示，用户需确认是否已正确选择所有元素或酶，并确认边线未被隐藏。若遇到问题，主标题栏上的“帮助”链接可能有所帮助。“教程”标签页下提供有详细教程，“用户指南”标签页下提供有用户手册，两者均详细说明了该工具的众多功能。用户指南可用于排查问题，或解释特定功能可能存在的限制，例如当用户锁定通路后又希望对其进行编辑时的情况。

正如本方案及随附图示中的示例所强调的，该工具提供了一系列在其他（或大多数）通路绘图工具中所不具备的独特功能（见表1）。第一，该工具完全基于网络，且具有完全的平台独立性。第二，它支持渲染并便捷生成多色、生物学上复杂、视觉效果良好的通路图，这些通路图具有完整的超链接功能，并可转换为机器可读格式（BioPAX、SBGN-ML18、SBML19、PWML14）。第三，通过一个易于使用的在线数据库和浏览界面，用户可对由该工具生成的通路图进行浏览、搜索、选择和便捷探索。第四，该网络工具的设计支持社区对通路的贡献，实现“通路众包”，鼓励新通路及新通路元件的共享与创建。

通过该基于网络的工具生成的通路可用于多种应用场景。内容详尽且完全超链接的通路可轻松整合到针对蛋白质组学、代谢组学或系统生物学应用的物种特异性数据库中。可通过互联网访问的通路在教育和培训方面尤为有用，因为基于网络图像所能提供的细节通常远超静态图像或单页教科书或期刊所能展示的内容。该基于网络的工具还支持生成更适合打印和出版的通路图示。因此，由该工具生成的大量图像正越来越多地出现在科研论文、学术海报和幻灯片演示中。将通路导出为基于文本的数据交换文件格式（如 BioPAX 和 SBML），可使利用该网络服务器生成的通路直接用于系统生物学或代谢建模等计算分析应用。在不同物种间传播通路，有助于对生物过程进行推断，特别是在那些最近才完成测序的物种中。尽管目前并非所有已知通路均已存在于 PathWhiz 中，但其公共通路数据库仍在持续增长，从而催生了新的、由公众协作贡献的通路集合。这些集合不仅能够便捷地扩展至新物种，更有望促进人们对这些物种独特生物学与生物化学特性的深入理解。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢加拿大卫生研究院（CIHR）和加拿大基因组学中心下属的阿尔伯塔基因组学（Genome Alberta）提供的资金支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
带有彩色屏幕的计算机N/AN/A >20英寸或>50厘米
互联网连接 N/AN/A>5 mbps
现代网络浏览器 N/AN/AGoogle Chrome（版本31及以上）、Internet Explorer（版本9及以上）、Safari（版本7及以上）、Opera（版本15及以上）和Firefox（版本23及以上）

参考文献

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