Untersuchung der Proteinsequenz-Struktur-Dynamik Beziehungen zu Bio3D-Web
16. Juli 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.
Übersicht
In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Nutzung von Bio3D-web vorgestellt, einer Webanwendung, die für die interaktive Analyse von Proteinsequenzen, -strukturen und -dynamiken konzipiert ist. Sie ermöglicht es Forschern, Beziehungen innerhalb großer Proteinfamilien zu untersuchen, ohne Programmierkenntnisse zu benötigen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Proteindynamik
- Bioinformatik
- Strukturbiologie
Hintergrund
- Das Verständnis der Beziehungen zwischen Proteinsequenz, -struktur und -dynamik ist entscheidend für die biologische Forschung.
- Bio3D-web erleichtert die Analyse von Proteinfamilien durch eine interaktive Plattform.
- Die Anwendung ermöglicht eine reproduzierbare Analyse ohne vorherige Programmierkenntnisse.
- Sie unterstützt verschiedene Analysen, darunter Sequenzalignierung, Clusterung und Hauptkomponentenanalyse.
Zweck der Studie
- Eine benutzerfreundliche Plattform zur Analyse von Proteinsequenzen und -strukturen bereitstellen.
- Das Verständnis der konformationellen Vielfalt in Proteinfamilien vertiefen.
- Forschern ermöglichen, komplexe Protein-Daten effektiv zu visualisieren und zu interpretieren.
Verwendete Methoden
- Einlesen von Proteinstrukturen mithilfe von PDB-IDs oder Sequenzen.
- Durchführung von Sequenzalignierung und Clusteranalyse.
- Durchführung einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) zur Visualisierung von Bewegungen.
- Erstellung von Berichten in verschiedenen Formaten zum Austauschen und zur weiteren Analyse.
Hauptergebnisse
- Bio3D-web ermöglicht eine detaillierte Analyse der Proteindynamik und -struktur.
- Interaktive Funktionen erhöhen das Benutzerengagement und das Verständnis.
- Die Normalkettenanalyse zeigt Dynamikunterschiede zwischen Proteinzuständen auf.
- Visualisierungswerkzeuge helfen dabei, wesentliche konformationelle Variationen zu charakterisieren.
Schlussfolgerungen
- Bio3D-web ist eine wertvolle Ressource für Forscher, die Proteinfamilien untersuchen.
- Die Plattform vereinfacht komplexe Analysen und macht sie für ein breiteres Publikum zugänglich.
- Zukünftige Anwendungen könnten sich auf vielfältigere Proteinanalysen ausdehnen.
Häufig gestellte Fragen
Ausführliche Bedeutung für die Industrie
Bio3D-web ermöglicht es Forschern in der Biopharmazeutika, Sequenz-Struktur-Dynamik-Beziehungen innerhalb von Proteinfamilien schnell zu untersuchen und unterstützt so die Zielvalidierung und die Absicherung hinsichtlich mechanistischer Risiken in der frühen Entdeckungsphase. Indem es interaktive, reproduzierbare Analysen ohne Programmierkenntnisse bereitstellt, beschleunigt es die Hypothesenbildung und leitet die Entwicklung nachgeschalteter Assays sowie die Identifizierung von Leitstrukturen. Das Werkzeug erhöht die Vorhersagesicherheit, indem es funktionelle Dynamik- und Konservierungsmuster aufdeckt, die entscheidend sind, um therapeutisch relevante Zielstrukturen zu priorisieren.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Identifiziert konservierte strukturelle und dynamische Merkmale über Homologe hinweg, um funktionelle Stellen und allosterische Mechanismen zu klären.
- Operativer Wert: Ermöglicht die schnelle Untersuchung von Proteinfamilien allein anhand von PDB-IDs oder Sequenzen und verringert damit die Abhängigkeit von bioinformatischem Fachwissen.
- Wissenschaftlicher Wert: Erstellt Abbildungen der Beziehungen zwischen Konformeren mittels PCA, um funktionell relevante Zustände im Hinblick auf Ligandenbindung oder Katalyse zu unterscheiden.
- Operativer Wert: Unterstützt die Normalmodenanalyse von Ensembles, um Dynamiken zwischen Proteinzuständen zu vergleichen und mechanistische Hypothesen abzuleiten.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt Konserviertheitskarten für Reste, die bei der Auswahl von Epitopen oder der gezielten Ansprache von Wirkstoffbindungsstellen bei der Assay-Entwicklung leitend wirken können.
- Operativer Wert: Erstellt austauschbare Berichte mit standardisierten Parametern, die die Abstimmung zwischen Teams hinsichtlich struktureller Eingabedaten für Screening-Kampagnen erleichtern.
- Wissenschaftlicher Wert: Ermittelt dynamische Hotspots mittels Analyse der Reste-Schwankungen und hilft so bei der Beurteilung der Angriffspunkte eines Zielmoleküls sowie der Flexibilität der Bindungsstelle.
- Operativer Wert: Stellt die Reproduzierbarkeit von strukturellen Überlagerungen und Ausrichtungen sicher, was für konsistente Assay-Auswertungen über verschiedene Labore hinweg entscheidend ist.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Verbindet Sequenzvariationen mit strukturellen und dynamischen Veränderungen und unterstützt so die Beurteilung der Relevanz von Biomarkern bei krankheitsassoziierten Varianten.
- Operativer Wert: Bietet einen durchgängigen Arbeitsablauf von der Analyse auf Familienebene bis hin zu spezialisierten Nachuntersuchungen und ermöglicht so eine translationale Kontinuität.
- Wissenschaftlicher Wert: Hebt konformationelle Unterschiede zwischen funktionellen Zuständen hervor und trägt so zur Validierung des Wirkmechanismus bei.
- Operativer Wert: Die Ergebnisse sind kompatibel mit Bio3D-R und ermöglichen einen nahtlosen Übergang zur tiefergehenden computergestützten Validierung in präklinischen Modellen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Bio3D-web ist eingebettet in den frühen Entdeckungsprozess und unterstützt die Zielvalidierung durch strukturelle Erkenntnisse, die die Identifizierung von Leitverbindungen und die präklinische Priorisierung fördern, indem sie mechanistische Unsicherheiten verringern.
- Entdeckungsbiochemie: Überprüft Hypothesen zur Sequenzkonservierung und strukturellen Dynamik, um die Zielproteinfunktion zu klären und mechanistische Annahmen abzusichern.
- Screening: Bereitet standardisierte strukturelle Eingabedaten und Konservierungsprofile vor, die die Assay-Entwicklung und die Bereitschaft für die Wirkstoff-Screening verbessern.
- Analytik: Liefert quantitative Ergebnisse, einschließlich Restkonservierungs-Scores, Projektionen der Hauptkomponenten und Fluktuationen normaler Schwingungsmoden, zur objektiven Vergleichbarkeit.
- Translationale Forschung: Verbindet strukturelle Dynamik mit funktionellen Zuständen und unterstützt so die Abstimmung von Biomarkern und die Validierung von Wirkmechanismen bei der Analyse krankheitsrelevanter Varianten.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Funktioniert als wiederverwendbare und teilbare Plattform für die kontinuierliche Analyse von Proteinfamilien über Projekte und Teams hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagegenauigkeit bei der Zielstrukturauswahl, indem evolutionär konservierte und dynamisch relevante Bereiche aufgedeckt werden.
- Operationaler Wert: Beseitigt Software-Installations- und Programmierhürden und ermöglicht eine breite Anwendung in multidisziplinären Teams.
- Strategischer Wert: Verkürzt die Zeit bis zur Erkenntnisgewinnung bei der Erstellung struktureller Hypothesen und verbessert die Kapitalnutzungseffizienz in frühen Projektphasen.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung von Zielstrukturen, indem strukturelle und dynamische Belege für Go/No-Go-Entscheidungen bereitgestellt werden.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Vertrautheit mit Konzepten der Strukturbiologie wie RMSD, Konservierung und Normalmoden, um die Ergebnisse korrekt interpretieren zu können.
- Hängt von der Verfügbarkeit und Qualität der PDB-Strukturen für die Zielproteinfamilie ab, was die Anwendbarkeit bei schlecht charakterisierten Zielstrukturen einschränken kann.
- Erfordert eine Einigung zwischen Teams hinsichtlich struktureller Cutoffs, Alignierungsparameter und Clusterverfahren, um reproduzierbare Vergleiche sicherzustellen.
- Die Leistung kann bei großen strukturellen Datensätzen variieren; Nutzer sollten die Aufnahmeschwellenwerte basierend auf den rechnerischen Grenzen und analytischen Zielen anpassen.
- Eignet sich am besten zur Hypothesengenerierung und nicht zur endgültigen strukturellen Validierung, weshalb anschließend experimentelle oder rechnergestützte Methoden mit hoher Auflösung erforderlich sind.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:40
Structure Search and Selection (SEARCH)
6:52
Results: Bio3D-web Analysis of Adenylate Kinase
1:46
Multiple Sequence Alignment Analysis (ALIGN)
2:51
Structure Fitting and Analysis (FIT)
3:52
Principle Component Analysis (PCA)
5:24
Ensemble Normal Mode Analysis (eNMA)
8:01
Conclusion
