July 16th, 2017
Ein Protokoll für die Online-Untersuchung von Proteinsequenz-Struktur-Dynamik-Beziehungen mit Bio3D-Web wird vorgestellt.
Das übergeordnete Ziel von Bio3D-web ist es, eine interaktive Analyse der Sequenz, Struktur und Bestätigungsdiversität von Proteinfamilien zu ermöglichen. Bio3D-web ist eine neue Web-App, die uns helfen kann, die Beziehungen zwischen Sequenz, Struktur und Dynamik innerhalb großer Proteinfamilien zu verstehen. Der Hauptvorteil von Bio3D-web besteht darin, dass es eine interaktive und reproduzierbare Online-Sequenz-, Struktur- und Dynamikanalyse ermöglicht, die keine Programmierkenntnisse des Benutzers erfordert.
Um eine Struktur für die Analyse einzugeben, erhalten Sie die PDB-ID der Adenylatkinase, indem Sie in der Proteindatenbank suchen. Geben Sie die vier Zeichen lange PDB-ID für die Adenylatkinase ein, oder fügen Sie eine Proteinsequenz in das Textfeld der Eingabestruktur oder des Sequenzfelds ein. Klicken Sie auf die blaue Schaltfläche für die Auswahl des nächsten Treffers im ersten Fenster oder scrollen Sie einfach zur Trefferauswahl von Feld B für die weitere Analyse.
Stellen Sie sicher, dass der Schieberegler für die Begrenzung der Gesamtzahl der eingeschlossenen Strukturen auf den Maximalwert eingestellt ist, um alle Strukturen oberhalb des Grenzwerts einzuschließen. Verringern Sie den BitScore-Grenzwert für die Inklusion, um entferntere Treffer einzuschließen, oder erhöhen Sie ihn, um ihn auszuschließen. Stellen Sie sicher, dass die ausgewählten Treffer relevante Strukturen darstellen, indem Sie Details der Tabelle überprüfen, z. B. PDB-Name, Spezies und gebundene Liganden.
Klicken Sie auf die Registerkarte Ausrichten, um die Sequenzausrichtung der ausgewählten Strukturen über die Registerkarte Suchen durchzuführen. Es kann zu Ausrichtungsfehlern kommen, insbesondere bei der Analyse entfernter verwandter Proteine, z. B. wenn die Sequenzähnlichkeit unter 30 % liegtÜberprüfen und korrigieren Sie die Sequenzausrichtung immer auf der Registerkarte "Ausrichten". Überprüfen Sie die Achszusammenfassung in Bereich A Achszusammenfassung.
Stellen Sie sicher, dass die relevanten Bereiche ausgerichtet und nicht durch Lücken in einer oder mehreren Strukturen verdeckt sind. Klicken Sie auf die blaue Schaltfläche Nächste Analyse, um eine sequenzbasierte Cluster-Analyse der erfassten Strukturen durchzuführen. Klicken Sie dann auf die blaue Schaltfläche für die nächste Konservierung, um die spaltenweise Rückstandskonservierung zu berechnen.
Wählen Sie die ausgerichteten Struktursätze aus, um ein Diagramm der Restkonservierung an jeder Ausrichtungsposition zu erstellen. Führen Sie eine Strukturüberlagerung durch, indem Sie die Registerkarte Einpassung aufrufen. Stellen Sie sicher, dass die Proteinstrukturen durch visuelle Inspektion den entsprechenden und relevanten Regionen überlagert werden.
Klicken und ziehen Sie die Maus über die Struktur, um sie zu drehen, und scrollen Sie, um zu zoomen. Passen Sie die Farbgebung der Strukturen an, indem Sie auf die Farboptionen klicken. Klicken Sie dann auf die blaue Schaltfläche "Nächste Analyse", um ein strukturbasiertes Clustering der erfassten PDB-Strukturen durchzuführen.
Schalten Sie die RMSD-Heatmap im Dropdown-Menü für die Zeichnungsoptionen um. Klicken Sie auf die blaue RMSF-Schaltfläche für die Verschachtelung, um die Strukturvariabilität jedes Rests anzuzeigen, wobei die wichtigsten sekundären Strukturelemente in den Randbereichen der X-Achse angezeigt werden. Führen Sie eine Hauptkomponentenanalyse durch, indem Sie die Registerkarte PCA aufrufen.
Um die Hauptkomponenten zu visualisieren, aktivieren Sie das Kontrollkästchen PC-Trajektorie anzeigen, um Bewegungen zu visualisieren, die von den Hauptkomponenten mit dem Visualisierungstool im Browser beschrieben werden. Stellen Sie sicher, dass die Hauptkomponente eins aus dem ersten Dropdown-Menü ausgewählt ist. Um die Bewegungen zu visualisieren, die von anderen Hauptkomponenten beschrieben werden, wählen Sie den gewünschten PC aus dem Dropdown-Menü Hauptkomponente auswählen.
Projizieren Sie die einzelnen Strukturen auf zwei ausgewählte PCs, indem Sie auf die blaue Schaltfläche "Nächster Plot" klicken. Stellen Sie sicher, dass PC auf der X-Achse auf eins und PC auf Y-Achse auf zwei festgelegt ist. Um die Strukturen auf andere Hauptkomponenten zu projizieren, passen Sie die PC-Nummerierung entsprechend an.
Klicken Sie auf einzelne Punkte im Diagramm, um die Strukturen zu beschriften. Alternativ können Sie eine oder mehrere Strukturen in der Tabelle PCA-konforme Plot-Annotation unterhalb des Plots hervorheben. Berechnen Sie die Restbeiträge zu den einzelnen Hauptkomponenten, indem Sie auf die blaue Schaltfläche "Nächste Restbeiträge" klicken.
Stellen Sie die Beiträge für zusätzliche Hauptkomponenten dar, indem Sie die PC-Nummer in das Textfeld Hauptkomponente auswählen einfügen. Klicken Sie auf die Registerkarte eNMA, um die Berechnung des normalen Modus zu starten. Passen Sie die Anzahl der Strukturen an, indem Sie den Grenzwert für den Ein- oder Ausschluss von Strukturen verringern oder erhöhen.
Klicken Sie auf das grüne Laufensemble NMA, um die Berechnung der Normalmodusanalyse zu starten. Scrollen Sie nach unten zum zweiten Bereich der Registerkarte eNMA, der als Visualisierung der Normalmodi bezeichnet wird, um die Normalmodi zu visualisieren. Klicken Sie auf die blaue Schaltfläche "Nächste Fluktuationen", um die residuenweisen Fluktuationen von Strukturen zu berechnen, die für die Ensemble-Normalmodus-Analyse ausgewählt wurden.
Schalten Sie den Cluster nach RMSD um, um die Fluktuationsprofile durch RMSD-basiertes Clustering einzufärben. Schalten Sie das Kontrollkästchen für die Spread-Linien um, um die gruppierten Schwankungsprofile getrennt voneinander darzustellen. Klicken Sie dann auf die blaue Schaltfläche neben PCA und NMA, um die Ähnlichkeit zwischen den einzelnen Normalmoden und Hauptkomponenten zu berechnen.
Klicken Sie unten auf die blaue Schaltfläche Weiter, um einen Bericht mit den Analyseergebnissen, benutzerdefinierten Eingaben und Parameteroptionen zu erstellen. Der Bericht kann in den gemeinsam nutzbaren PDF-, Word- und HTML-Formaten heruntergeladen werden. Der Bericht enthält auch einen Link zum erneuten Aufrufen der Analysesitzung zu einem späteren Zeitpunkt, der auch mit Mitarbeitern geteilt werden kann.
Hier sind verfügbare PDB-Strukturen der Adenylatkinase dargestellt, die dem identifizierten invarianten Kern überlagert sind. Die Strukturen werden gemäß der RMSD-basierten Clusterbildung eingefärbt, die auf der Registerkarte "Passform" bereitgestellt wird. Die Visualisierung der Hauptkomponenten ist auf der Registerkarte PCA verfügbar, um die wichtigsten Konformationsvariationen im Datensatz zu charakterisieren.
Hier ist die Trajektorie, die der ersten Hauptkomponente entspricht, in einer Röhrendarstellung dargestellt, die die großräumige Schließbewegung des Proteins zeigt. Die Strukturen werden auf ihre ersten beiden Hauptkomponenten in einem Konformer-Diagramm projiziert, das eine niedrigdimensionale Darstellung der Konformationsvariabilität zeigt. Jeder Punkt oder jede Struktur wird nach benutzerdefinierten Kriterien eingefärbt, in diesem Fall Ergebnisse von PCA-basiertem Clustering.
Die Normalmodusanalyse auf der Registerkarte eNMA deutet auf eine verbesserte lokale und globale Dynamik für Strukturen im offenen Zustand im Vergleich zum geschlossenen Zustand hin. Bio3D-web kann verwendet werden, um Sequenz- und Struktursätze zu untersuchen und allgemeine Trends in der interessierenden Proteinfamilie innerhalb von Minuten zu verstehen. Bio3D-web hat mir geholfen, die Strukturanalyse der Kinesin-Superfamilie zu informieren.
Bio3D-web bietet einen vollständigen Workflow für die vollständig maßgeschneiderte Untersuchung von Sequenz-Struktur-dynamischen Beziehungen. Dieser Workflow bietet Funktionen für die Kartierung von Interkonformitätsbeziehungen mit PCA und den quantitativen Vergleich lokaler und globaler Dynamiken über große Mengen heterogener Strukturen hinweg unter Verwendung von Ensemble-NMA. Es ist davon auszugehen, dass die meisten Forscher Bio3D-web verwenden werden, um allgemeine Trends in ihrer Proteinfamilie zu verstehen, die dann in weitere spezialisierte Analysen einfließen können.
Bio3D-web ist daher als Werkzeug zur Generierung von Hypothesen konzipiert, mit gemeinsam nutzbaren Zusammenfassungsberichten, die alle benutzerdefinierten Parameter enthalten. Die Ergebnisse von Bio3D-web können ebenfalls heruntergeladen werden und sind vollständig mit dem Bio3D-R-Paket kompatibel, um eine weitere eingehende Analyse zu ermöglichen. Für eine gegebene Proteinfamilie stehen heute viele Strukturen zur Verfügung, die oft unter unterschiedlichen Bedingungen bestimmt werden.
Der Vergleich dieser großen Anzahl von Strukturen kann uns Aufschluss über strukturelle Mechanismen geben, die für ihre Funktion entscheidend sind, wie z. B. Ligandenbindung, Katalyse und allosterische Regulation. Bio3D-web ist allgemein zugänglich und einfach zu bedienen, ohne dass spezielle Softwareinstallationen erforderlich sind oder eine neue Programmiersprache gelernt werden muss. Bio3D-web wird von allen gängigen Browsern unterstützt.
Der vollständige Quellcode und die Setup-Anweisungen für die lokale Installation sind kostenlos erhältlich.
Dieser Artikel präsentiert ein Protokoll für die Verwendung von Bio3D-web, einer Web-Anwendung, die für die interaktive Analyse von Proteinsequenz, -struktur und -dynamik konzipiert ist. Es ermöglicht Forschern, Beziehungen innerhalb großer Proteinfamilien zu untersuchen, ohne Programmierkenntnisse zu benötigen.
Bio3D-web enables biopharma researchers to rapidly explore sequence-structure-dynamics relationships across protein families, supporting target validation and mechanistic de-risking in early discovery. By providing interactive, reproducible analysis without programming barriers, it accelerates hypothesis generation and informs downstream assay development and lead identification efforts. The tool enhances predictive confidence by revealing functional dynamics and conservation patterns critical for prioritizing therapeutically relevant targets.
Bio3D-web fits within the early discovery continuum, supporting target validation through structural insights that inform lead identification and preclinical prioritization by reducing mechanistic uncertainty.