חקירת חלבון רצף-מבנה-דינמיקה יחסים עם Bio3D-web

המטרה הכוללת של Bio3D-web היא לאפשר ניתוח אינטראקטיבי של רצף, מבנה ומגוון קונפורמציוני של משפחות חלבונים. Bio3D-web היא אפליקציית רשת חדשה שיכולה לסייע לנו להבין את הקשרים בין הרצף, המבנה והדינמיקה בתוך משפחות חלבונים גדולות. היתרון המרכזי של Bio3D-web הוא שהיא מספקת ניתוח מקוון אינטראקטיבי וניתן לשחזור של רצף, מבנה ודינמיקה, ללא צורך בידע קודם בתכנות מצד המשתמש.

כדי להזין מבנה לצורך ניתוח, השג את ה-PDB ID של adenylate kinase על ידי חיפוש במאגר החלבונים. הזן את ה-PDB ID בן ארבעת התווים של adenylate kinase או הדבק רצף חלבון בתיבת הטקסט של פאנל הזנת המבנה או הרצף. לחץ על כפתור הבחירה הכחול "next hit selection" בפאנל הראשון, או פשוט גלול מטה לפאנל B "hit selection" להמשך הניתוח.

וודאו שסרגל הגבלת המספר הכולל של המבנים הכלולים מוגדר לערכו המקסימלי כדי לכלול את כל המבנים שמעל לסף. הנמיכו את סף ה-BitScore להכללה כדי לכלול פגיעות קשורות באופן רחוק יותר, או הגביהו אותו כדי להחריג אותן. וודאו שהפגיעות שנבחרו מייצגות מבנים רלוונטיים על ידי בדיקת פרטי הטבלה, כגון שם ה-PDB, המין וליגנדים קשורים.

לחצו על לשונית ה-align כדי לבצע יישור רצפים של המבנים שנבחרו בלשונית החיפוש. קיימת אפשרות להיווצרות שגיאות יישור, במיוחד בעת ניתוח של חלבונים בעלי קרבה רחוקה יותר, למשל כאשר דמיון הרצפים הוא נמוך מ-30%. תמיד יש לבדוק שוב ולתקן את יישור הרצפים בלשונית ה-align. עברו על סיכום היישור בלוח A alignment summary.

וודאו שהאזורים הנבחרים (regions of interest) מיושרים ואינם מוסתרים על ידי פערים במבנה אחד או יותר. לחצו על כפתור ה-next analysis הכחול כדי לבצע ניתוח אשכולות (clustering analysis) מבוסס-רצף של המבנים שנאספו. לאחר מכן, לחצו על כפתור ה-next conservation הכחול כדי לחשב את שימור השאריות (residue conservation) לפי עמודות.

בחר את מערכי המבנים המיושרים כדי ליצור תרשים של שימור השאריות בכל מיקום יישור. בצע סופרפוזיציה של המבנים על ידי כניסה ללשונית ה-fit. ודא באמצעות בדיקה ויזואלית כי מבני החלבון נמצאים בסופרפוזיציה לאזורים התואמים והרלוונטיים.

לחצו וגררו את העכבר מעל המבנה כדי לסובב אותו, והשתמשו בגלגלת כדי להגדיל. התאימו את צבעי המבנים באמצעות לחיצה על אפשרויות הצבע. לאחר מכן, לחצו על כפתור ה-next analysis הכחול כדי לבצע קיבוץ (clustering) מבוסס-מבנה של מבני ה-PDB שנאספו.

הפעילו את מפת החום של ה-RMSD בתפריט הנפתח של אפשרויות הגרף. לחצו על כפתור ה-nest RMSF הכחול כדי לצפות בשונות המבנית של כל שארית, כאשר רכיבי מבנה שניוני מרכזיים מוצגים באזורי השוליים של ציר ה-X. בצעו ניתוח רכיבים ראשיים על ידי כניסה ללשונית ה-PCA.

כדי להציג את הרכיבים הראשיים, סמנו את תיבת הסימון show PC trajectory להצגת התנועות המתוארות על ידי הרכיבים הראשיים באמצעות כלי הוויזואליזציה המובנה בדפדפן. ודאו שהרכיב הראשי הראשון נבחר מהתפריט הנפתח הראשון. כדי להציג את התנועות המתוארות על ידי רכיבים ראשיים אחרים, בחרו את ה-PC הרצוי מהתפריט הנפתח choose principal component.

השליכו את המבנים הבודדים על שני PC שנבחרו על ידי לחיצה על כפתור ה-next plot הכחול. ודאו ש-PC on X-axis מוגדר כ-one ו-PC on Y-axis כ-two. כדי להשליך את המבנים על רכיבים ראשיים אחרים, התאימו את מספור ה-PC בהתאם.

לחצו על נקודות בודדות בגרף כדי לסמן את המבנים. לחלופין, סמנו מבנה אחד או יותר בטבלת PCA conformer plot annotation שמתחת לגרף. חשבו את תרומות השאריות לרכיבים הראשיים הבודדים על ידי לחיצה על כפתור next residue contributions הכחול.

שרטטו את התרומות עבור רכיבי עיקר נוספים על ידי הזנת מספר ה-PC בתיבת הטקסט לבחירת רכיב העיקר. לחצו על לשונית eNMA כדי להתחיל את חישוב מצב הנורמה. התאימו את מספר המבנים על ידי הורדה או העלאה של ערך הסף להכללה או להחרגה של מבנים.

לחצו על כפתור ה-run ensemble NMA הירוק כדי להתחיל את חישוב ניתוח המודים הנורמליים. גללו מטה לפאנל השני של לשונית ה-eNMA, הנקרא normal modes visualization, לצפייה בויזואליזציה של המודים הנורמליים. לחצו על כפתור ה-next fluctuations הכחול כדי לחשב את התנודות (fluctuations) עבור כל שארית במבנים שנבחרו לניתוח מודים נורמליים של אנסמבל.

הפעילו את אפשרות ה-cluster by RMSD כדי לצבוע את פרופילי התנודה לפי קיבוץ (clustering) מבוסס RMSD. סמנו את תיבת הבחירה spread lines כדי להציג את פרופילי התנודה המקובצים בנפרד זה מזה. לאחר מכן, לחצו על הכפתור הכחול next PCA versus NMA כדי לחשב את הדמיון בין אופני התנודה הנורמליים (normal modes) הבודדים לבין הרכיבים הראשיים (principal components).

לחצו על כפתור ההמשך הכחול בתחתית כדי להפיק דוח של תוצאות הניתוח, הקלט שהוגדר על ידי המשתמש ובחירות הפרמטרים. ניתן להוריד את הדוח בפורמטים שניתנים לשיתוף כ-PDF, Word ו-HTML. הדוח כולל גם קישור לחזרה לסשן הניתוח במועד מאוחר יותר, אותו ניתן לשתף גם עם עמיתים למחקר.

מוצגים כאן מבני PDB זמינים של adenylate kinase המונחים זה על זה על גבי הליבה האינווריאנטית שזוהתה. המבנים צבועים בהתאם לאשכולהם (clustering) המבוסס על RMSD, כפי שמוצג בלשונית ה-fit. ויזואליזציה של הרכיבים הראשיים זמינה בלשונית ה-PCA כדי לאפיין את הווריאציות קונפורמציוניות העיקריות במערך הנתונים.

כאן, המסלול המתאים לרכיב הראשי הראשון מוצג בייצוג צינורות המראה את תנועת הסגירה רחבת ההיקף של החלבון. המבנים מושלכים על שני הרכיבים הראשיים הראשונים שלהם בגרף קונפורמרים המציג ייצוג ממדי נמוך של השונות הקונפורמציונית. כל נקודה או מבנה צבועים בהתאם לקריטריונים שהוגדרו על ידי המשתמש, ובמקרה זה, תוצאות אשכולות (clustering) המבוססות על PCA.

ניתוח אופני נורמה (normal mode analysis) בלשונית eNMA מעיד על דינמיקה מקומית וגלובלית מוגברת עבור מבנים במצב הפתוח בהשוואה למצב הסגור. ניתן להשתמש ב-Bio3D-web כדי לחקור סדרות של רצפים ומבנים ולסייע בהבנת מגמות כלליות במשפחת החלבונים הרלוונטית תוך דקות ספורות. Bio3D-web סייע לי בביצוע ניתוח מבני של על-משפחת הקינזין (kinesin superfamily).

Bio3D-web מספקת זרימת עבודה מלאה לחקירה מותאמת אישית לחלוטין של קשרי רצף-מבנה-דינמיקה. זרימת עבודה זו מספקת פונקציונליות למיפוי קשרי בינ-קונפורמציה באמצעות PCA והשוואה כמותית של דינמיקה מקומית וגלובלית על פני קבוצות גדולות של מבנים הטרוגניים באמצעות ensemble NMA. ההערכה היא שמרבית החוקרים ישתמשו ב-Bio3D-web כדי להבין מגמות כלליות במשפחת החלבונים המעניינת אותם, אשר יוכלו להוות בסיס לניתוחים מיוחדים נוספים.

לפיכך, Bio3D-web תוכנן ככלי ליצירת היפותזות עם דוחות סיכום שניתן לשתף, הכוללים את כל הפרמטרים שהוגדרו על ידי המשתמש. ניתן להוריד את התוצאות מ-Bio3D-web והן תואמות באופן מלא לחבילת Bio3D-R לצורך ניתוח מעמיק יותר. כיום קיימים מבנים רבים עבור משפחת חלבונים נתונה, אשר נקבעו לעיתים קרובות תחת תנאים שונים.

השוואה של מספר רב זה של מבנים יכולה לספק מידע על מנגנונים מבניים קריטיים לתפקודם, כגון קישור ליגנדים, קטליזה ובקרה אלוסטרית. Bio3D-web נגיש באופן נרחב וקל לשימוש ללא צורך בהתקנת תוכנה ייעודית או בלמידה של שפת תכנות חדשה. Bio3D-web נתמך בכל הדפדפנים המובילים.

קוד המקור המלא והוראות ההגדרה להתקנה מקומית זמינים ללא עלות.