本方案介绍了如何利用在线资源探索、比较和解读人类蛋白质糖组。
方法文章
本方案介绍了如何利用在线资源探索、比较和解读人类蛋白质糖组。
Glyco@Expasy 项目作为一个相互关联的数据库与工具集合,涵盖了糖生物学多个方面的知识。其特别目标是突出由糖链介导的糖蛋白(如细胞表面受体)与糖结合蛋白之间的相互作用。本文通过两个典型示例——人前列腺特异性抗原(PSA)的N-糖组和人血清蛋白的O-糖组,介绍该集合中的主要资源。通过不同的数据库查询并借助可视化工具,本文展示了如何在一个连续的流程中探索和比较内容,以收集并关联原本分散的信息片段。所收集的数据旨在为更复杂的糖链功能研究场景提供支持。因此,本文所介绍的糖生物信息学被提出作为一种手段,可用于加强、构建或反驳关于特定背景下蛋白质糖组特异性的假设。
糖类、与其相连的蛋白质(糖蛋白)以及与其结合的蛋白质(凝集素或碳水化合物结合蛋白)是细胞表面主要的分子参与者1。尽管它们在细胞间通讯中具有核心作用,但与基因组学和蛋白质组学相比,大规模研究(包括糖组学、糖蛋白质组学或糖类相互作用组学数据)仍然十分有限。
直到最近,仍缺乏能够在复杂碳水化合物与载体蛋白保持偶联状态下对其分支结构进行表征的方法。糖蛋白的生物合成是一种非模板驱动的过程,其中单糖供体、接受糖基的糖蛋白底物以及糖基转移酶和糖苷酶共同发挥相互作用。由此产生的糖蛋白可能带有复杂的结构,具有多个分支点,每个单糖组分都可能是自然界中存在的多种类型之一1。由于该过程不依赖模板,因此生化分析成为获取寡糖结构信息的唯一选择。对天然蛋白质上连接的糖链结构进行分析往往具有挑战性,因为需要高灵敏度、定量且可靠的分析技术来确定单糖组成、连接方式及分支序列2。
在此背景下,质谱法(MS)是糖组学和糖蛋白质组学实验中最广泛使用的技术。随着时间推移,这些实验正越来越多地在高通量条件下进行,相关数据也不断积累至各类数据库中。以多种格式表示的聚糖结构3已收录于GlyTouCan4,这是通用的聚糖数据存储库,其中每种结构均被赋予一个稳定标识符,而不论该聚糖定义的精确程度如何(例如,可能缺少连接类型或组成不明确)。极为相似的结构被分别收集,但其微小差异均被清晰记录。糖蛋白的信息则在GlyConnect5和GlyGen6两个相互交叉引用的数据库中进行描述与人工审校。支持结构证据的质谱数据正越来越多地存储于GlycoPOST7中。关于在线资源的更全面覆盖,参考手册《糖生物学精要》(Essentials of Glycobiology)的第52章专门介绍了糖生物信息学8。值得注意的是,近年来糖肽鉴定软件大量涌现9,10,但并未有效提升结果的可重复性。这一问题促使人类蛋白质组组织糖蛋白质组学计划(HUPO GlycoProteomics Initiative, HGI)的领导者于2019年发起了一项软件挑战赛。来自复杂人血清N-和O-糖蛋白混合物经CID、ETD和EThcD三种碎裂模式处理后获得的质谱数据,向所有参赛者(无论是软件用户还是开发者)公开。此处仅概述该挑战赛结果的完整报告11。首先,观察到鉴定结果存在较大差异。这主要归因于不同搜索引擎所采用的方法、参数设置、输出结果的过滤方式以及肽段“计数”方式的多样性。实验设计本身也可能使某些软件或方法处于有利或不利地位。尤为重要的是,使用相同软件的不同参与者报告了不一致的结果,凸显了严重的可重复性问题。通过比较不同提交结果发现,某些软件的表现优于其他软件,某些搜索策略也更有效。这一反馈有望指导自动化糖肽数据分析方法的改进,并反过来影响数据库的内容建设。
糖组学信息学的发展推动了网络门户的建立,这些门户提供信息并可访问多个相似或互补的资源。最新且最全面的资源在《综合糖科学》(Comprehensive Glycoscience)丛书的一章中有详细描述12,并通过合作,以开放获取的方式提供了数据共享与信息交换的解决方案。其中一个门户最初名为 Glycomics@ExPASy13,随着 ExPASy 平台的全面升级14,该门户被重新命名为 Glyco@Expasy。ExPASy 平台数十年来一直托管着大量被多种组学领域广泛使用的工具和数据库,其中最受欢迎的是 UniProt15——即通用蛋白质知识库。Glyco@Expasy 通过可视化分类及其相互依赖关系的展示,提供了一种教学式的数据库与工具用途探索方式。以下实验方案展示了如何利用该门户中的一系列资源,探索糖组学和糖蛋白质组学数据,并通过糖组学明确建立糖蛋白质组学与糖链互作组学之间的联系。via 目前,糖组学实验可产生单糖结构完全定义、糖链连接方式部分或完全确定的结果,但其在蛋白质上的位点附着信息却很少甚至完全未被表征。相比之下,糖蛋白质组学实验能够提供精确的位点附着信息,但对糖链结构的解析能力较差,通常仅限于单糖组成。这些信息在 GlyConnect 数据库中被整合在一起。此外,GlyConnect 中的搜索工具可用于检测潜在的糖链配体,这些配体及其识别蛋白在 UniLectin16 中有详细描述,并通过糖链与 GlyConnect 相关联。via 本文所述的实验方案分为两个部分,分别涵盖与 N-连接和 O-连接糖链及糖蛋白相关的具体问题。
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1. 从 GlyConnect 中的蛋白质 N-糖组到 UniLectin 中的凝集素
2. 在 GlyConnect 中探索和比较 O-糖组
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本实验方案的第一部分(第1节)展示了如何利用GlyConnect平台研究人前列腺特异性抗原(PSA)Asn-69位点所连接N-糖链的特异性或共性。通过两种可视化工具(图4 和图5),重点阐述了组织依赖性(尿液和精液)以及亚型依赖性(正常和高pI)的糖链表达差异。
首先,GlyConnect Octopus 能够展示数据库中存储的实体之间的关联,为探索上下文信息提供了机会 通过 (1)在章鱼图中选择显示不同的实体,以及(2)点击链接查看相关条目。结果呈现出依赖于组织类型的特异性关联。
其次,GlyConnect Compozitor 最初被设计用于定义或优化糖肽鉴定的组成文件,现被用于评估两种已知 PSA 亚型(正常和高等电点)中的聚糖表达。对每种亚型糖组的比较生成了一个连接紧密的图谱,突出了四个节点(组成),其中两个节点是高 pI 亚型的特征性组成。尽管糖组...
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利用 GlyConnect Octopus 揭示意外相关性的工具
GlyConnect Octopus 最初设计用于以较宽松的糖链定义来查询数据库。事实上,文献中通常会报告糖组中糖链的主要特征,例如是否含有岩藻糖基化或唾液酸化修饰、是否具有两个或更多天线结构等。此外,无论 N-连接还是 O-连接的糖链,均可根据《糖生物学要点》(Essentials of Glycobiology)1 参考手册中详述的核心结构进行分类,这类核心结构也常在已发表的文章中被引用。最后,血型抗原等糖链表位是研究者在结构中关注的另一类特性,可能被单独识别以对糖链进行分型。最终,针对特定组织或选定物种中表达的糖组,搜索其共性或差异特征可能是有意义的。从这一角度看,所收集的信息应被用作提出新假设的依据,而非被视为唯一确定的事实。
利用 GlyConnect Compozitor 构建糖链组成集合的工具
浏览蛋白质页面中描述的结构信息存在局限性,因为列表形式往往掩盖了条目化结...
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作者声明无利益冲突。
作者衷心感谢蛋白质组信息学小组的历任和现任成员,他们参与了本教程所用资源的开发工作,特别是Julien Mariethoz和Catherine Hayes对GlyConnect的贡献,François Bonnardel对UniLectin的贡献,Davide Alocci和Frederic Nikitin对Octopus的贡献,以及Thibault Robin对Compozitor的开发和Octopus最终完善所做的工作。
glyco@Expasy 项目的发展得到了瑞士联邦政府通过教育、研究与创新国务秘书处(SERI)的支持,并由瑞士国家科学基金会(SNSF:31003A_179249)提供补充资助。ExPASy 由瑞士生物信息学研究所维护,并托管于 Vital-IT 能力中心。作者还感谢 Anne Imberty 在 UniLectin 平台上的卓越合作,该平台由法国国家研究局 PIA glyco@Alps(ANR-15-IDEX-02)、罗纳河谷联盟校区联合资助计划(http://campusrhodanien.unige-cofunds.ch)以及 Labex Arcane/CBH-EUR-GS(ANR-17-EURE-0003)共同支持。
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