Indagine sulla proteina Sequenza-struttura-dinamica Relazioni con Bio3D-web
July 16th, 2017
Viene presentato un protocollo per l'analisi in linea delle relazioni tra proteine sequenza-struttura-dinamiche utilizzando Bio3D-web.
L'obiettivo generale di Bio3D-web è quello di consentire l'analisi interattiva della sequenza, della struttura e della diversità di conferma delle famiglie di proteine. Bio3D-web è una nuova applicazione web che può aiutarci a comprendere le relazioni tra sequenza, struttura e dinamica all'interno di grandi famiglie di proteine. Il vantaggio principale di Bio3D-web è che fornisce un'analisi interattiva e riproducibile online di sequenze, strutture e dinamiche che non richiede alcuna conoscenza preliminare di programmazione da parte dell'utente.
Per inserire una struttura per l'analisi, ottenere l'ID PDB dell'adenilato chinasi effettuando una ricerca nel database delle proteine. Immettere l'ID PDB di quattro caratteri per l'adenilato chinasi o incollare una sequenza proteica nella casella di testo della struttura di input o del pannello della sequenza. Fai clic sul pulsante blu di selezione del colpo successivo nel primo pannello o scorri semplicemente verso il basso fino alla selezione del colpo del pannello B per ulteriori analisi.
Assicurarsi che il dispositivo di scorrimento Limita numero totale di strutture incluse sia impostato sul valore massimo per includere tutte le strutture al di sopra del limite. Ridurre il limite di inclusione BitScore per includere più hit correlati alla distanza o aumentarlo per escludere. Assicurarsi che i risultati selezionati rappresentino le strutture pertinenti esaminando i dettagli della tabella come il nome PDB, le specie e i ligandi legati.
Fare clic sulla scheda Allinea per eseguire l'allineamento della sequenza delle strutture selezionate dalla scheda di ricerca. Esiste un potenziale insorgere di errori di allineamento, soprattutto quando si analizzano proteine più lontane, ad esempio quando la somiglianza della sequenza è inferiore al 30%Ricontrolla e correggi sempre l'allineamento della sequenza nella scheda di allineamento. Esaminare il riepilogo dell'allineamento nel pannello A riepilogo dell'allineamento.
Assicurarsi che le regioni di interesse siano allineate e non mascherate da spazi vuoti in una o più strutture. Fare clic sul pulsante blu di analisi successiva per eseguire l'analisi di clustering basata su sequenze delle strutture raccolte. Quindi, fare clic sul pulsante blu di conservazione successivo per calcolare la conservazione dei residui per colonna.
Selezionare i set di strutture allineate per generare un grafico della conservazione dei residui in ogni posizione di allineamento. Eseguire la sovrapposizione della struttura entrando nella scheda di adattamento. Assicurarsi che le strutture proteiche siano sovrapposte alle regioni corrispondenti e pertinenti mediante ispezione visiva.
Fare clic e trascinare il mouse sulla struttura per ruotarla e scorrere per ingrandirla. Regola la colorazione delle strutture facendo clic sulle opzioni di colore. Quindi, fare clic sul pulsante blu di analisi successiva per eseguire il clustering basato sulla struttura delle strutture PDB raccolte.
Attiva o disattiva la mappa termica RMSD nel menu a discesa delle opzioni del grafico. Fare clic sul pulsante blu Nest RMSF per visualizzare la variabilità della struttura di ciascun residuo con i principali elementi della struttura secondaria mostrati nelle regioni marginali dell'asse X. Eseguire l'analisi dei componenti principali accedendo alla scheda PCA.
Per visualizzare i componenti principali, attivare la casella di controllo Mostra traiettoria PC per visualizzare i movimenti descritti dai componenti principali con lo strumento di visualizzazione nel browser. Assicurati che il componente principale uno sia scelto dal primo menu a discesa. Per visualizzare i movimenti descritti dagli altri componenti principali, scegliere il PC desiderato dal menu a discesa Scegli componente principale.
Proietta le singole strutture su due PC selezionati facendo clic sul pulsante blu Traccia successivo. Assicurarsi che il PC sull'asse X sia impostato su uno e il PC sull'asse Y su due. Per proiettare le strutture su altri componenti principali, regolare di conseguenza la numerazione dei PC.
Fare clic su qualsiasi punto del grafico per etichettare le strutture. In alternativa, evidenziare una o più strutture nella tabella Annotazione del grafico del conformatore PCA sotto il grafico. Calcola i contributi residui ai singoli componenti principali facendo clic sul pulsante blu Contributi residui successivo.
Tracciate i contributi per i componenti principali aggiuntivi includendo il numero PC nella casella di testo Scegli componente principale (Choose principal component). Fare clic sulla scheda eNMA per avviare il calcolo della modalità normale. Regolare il numero di strutture abbassando o aumentando il limite per l'inclusione o l'esclusione della struttura.
Fare clic sull'NMA verde dell'insieme di corsa per avviare il calcolo dell'analisi in modalità normale. Scorri verso il basso fino al secondo pannello della scheda eNMA, chiamato visualizzazione delle modalità normali, per la visualizzazione delle modalità normali. Fare clic sul pulsante blu Fluttuazioni successive per calcolare le fluttuazioni in base ai residui delle strutture selezionate per l'analisi in modalità normale d'insieme.
Alternare il cluster in base a RMSD per colorare i profili di fluttuazione in base al clustering basato su RMSD. Attivare/disattivare la casella di controllo delle linee di distribuzione per tracciare i profili di fluttuazione raggruppati l'uno dall'altro. Quindi, fai clic sul pulsante blu successivo PCA contro NMA per calcolare la somiglianza tra i singoli modi normali e i componenti principali.
Fare clic sul pulsante blu Avanti in basso per generare un report dei risultati dell'analisi, dell'input definito dall'utente e delle scelte dei parametri. Il rapporto può essere scaricato nei formati PDF, Word e HTML condivisibili. Il report include anche un link per rivedere la sessione di analisi in un secondo momento, che può essere condiviso anche con i collaboratori.
Qui sono mostrate le strutture PDB dell'adenilato chinasi sovrapposte al nucleo invariante identificato. Le strutture vengono colorate in base al clustering basato su RMSD fornito nella scheda di adattamento. La visualizzazione dei componenti principali è disponibile dalla scheda PCA per caratterizzare le principali variazioni conformazionali nel set di dati.
Qui, la traiettoria corrispondente al primo componente principale è mostrata nella rappresentazione del tubo che mostra il movimento di chiusura su larga scala della proteina. Le strutture sono proiettate sulle loro prime due componenti principali in un diagramma di conformazione che mostra una rappresentazione a bassa dimensionalità della variabilità conformazionale. Ogni punto o struttura viene colorato in base ai criteri specificati dall'utente, in questo caso i risultati del clustering basati su PCA.
L'analisi della modalità normale nella scheda eNMA suggerisce una maggiore dinamica locale e globale per le strutture nello stato aperto rispetto allo stato chiuso. Bio3D-web può essere utilizzato per esplorare insiemi di sequenze e strutture e aiutare a comprendere le tendenze generali nella famiglia di proteine di interesse in pochi minuti. Bio3D-web mi ha aiutato a informare l'analisi strutturale della superfamiglia delle chinesine.
Bio3D-web fornisce un flusso di lavoro completo per l'indagine completamente personalizzata delle relazioni sequenza-struttura-dinamica. Questo flusso di lavoro fornisce funzionalità per la mappatura delle relazioni di interconformità con PCA e il confronto quantitativo delle dinamiche locali e globali tra grandi insiemi di strutture eterogenee utilizzando l'NMA d'insieme. Si prevede che la maggior parte dei ricercatori utilizzerà Bio3D-web per comprendere le tendenze generali della loro famiglia di proteine di interesse, che possono poi informare ulteriori analisi specializzate.
Bio3D-web è quindi progettato come uno strumento di generazione di ipotesi con report riepilogativi condivisibili che includono tutti i parametri definiti dall'utente. I risultati di Bio3D-web sono anche scaricabili e sono completamente compatibili con il pacchetto Bio3D-R per ulteriori analisi approfondite. Sono ora disponibili molte strutture per una data famiglia di proteine, spesso determinate in condizioni diverse.
Il confronto di questo gran numero di strutture può dirci informazioni sui meccanismi strutturali critici per la loro funzione, come il legame con i ligandi, la catalisi e la regolazione allosterica. Bio3D-web è ampiamente accessibile e facile da usare senza alcuna installazione di software dedicato o l'apprendimento di un nuovo linguaggio di programmazione. Bio3D-web è supportato su tutti i principali browser.
Il codice sorgente completo e le istruzioni per l'installazione locale sono disponibili gratuitamente.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per l'utilizzo di Bio3D-web, un'applicazione web progettata per l'analisi interattiva della sequenza, della struttura e della dinamica delle proteine. Consente ai ricercatori di esplorare le relazioni all'interno di grandi famiglie di proteine senza richiedere conoscenze di programmazione.
Componenti principali dello studio
Area della scienza
- Dinamiche delle proteine
- Bioinformatica
- Biologia strutturale
Sfondo
- Comprendere le relazioni tra sequenza, struttura e dinamica delle proteine è cruciale per la ricerca biologica.
- Bio3D-web facilita l'analisi delle famiglie di proteine attraverso una piattaforma interattiva.
- L'applicazione consente un'analisi riproducibile senza esperienza di programmazione precedente.
- Supporta varie analisi tra cui allineamento di sequenze, clustering e analisi delle componenti principali.
Obiettivo dello studio
- Fornire uno strumento user-friendly per analizzare sequenze e strutture proteiche.
- Migliorare la comprensione della diversità conformazionale nelle famiglie di proteine.
- Consentire ai ricercatori di visualizzare e interpretare efficacemente dati proteici complessi.
Metodi utilizzati
- Inserimento di strutture proteiche utilizzando ID PDB o sequenze.
- Esecuzione di allineamento di sequenze e analisi di clustering.
- Condurre l'analisi delle componenti principali (PCA) per la visualizzazione del movimento.
- Generazione di report in vari formati per la condivisione e l'ulteriore analisi.
Risultati principali
- Bio3D-web consente un'analisi dettagliata della dinamica e della struttura delle proteine.
- Le funzionalità interattive migliorano il coinvolgimento e la comprensione dell'utente.
- L'analisi delle modalità normali rivela differenze dinamiche tra gli stati delle proteine.
- Gli strumenti di visualizzazione aiutano a caratterizzare le principali variazioni conformazionali.
Conclusioni
- Bio3D-web è una risorsa preziosa per i ricercatori che studiano le famiglie di proteine.
- La piattaforma semplifica analisi complesse, rendendole accessibili a un pubblico più ampio.
- Le future applicazioni potrebbero espandersi per includere analisi proteiche più diverse.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Identifies conserved structural and dynamic features across homologs to clarify functional sites and allosteric mechanisms.
- Operational Value: Enables rapid interrogation of protein families using only PDB IDs or sequences, reducing dependency on bioinformatics expertise.
- Scientific Value: Maps interconformer relationships via PCA to distinguish functional states relevant to ligand binding or catalysis.
- Operational Value: Supports ensemble normal mode analysis to compare dynamics between protein states, informing mechanistic hypotheses.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates conserved residue maps that can guide epitope selection or active site targeting in assay design.
- Operational Value: Produces shareable reports with standardized parameters, facilitating cross-team alignment on structural inputs for screening campaigns.
- Scientific Value: Reveals dynamic hotspots via residue fluctuation analysis, helping assess target druggability and binding site flexibility.
- Operational Value: Ensures reproducibility of structural superposition and alignment, critical for consistent assay readouts across laboratories.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links sequence variations to structural and dynamic changes, supporting biomarker relevance assessment in disease-associated variants.
- Operational Value: Provides a continuous workflow from family-level analysis to specialized follow-up, enabling translational continuity.
- Scientific Value: Highlights conformational differences between functional states, aiding in mechanism-of-action validation.
- Operational Value: Outputs are compatible with Bio3D-R, allowing seamless transition to deeper computational validation in preclinical models.
Pipeline & Workflow Integration
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.
- Discovery Biology: Tests hypotheses about sequence conservation and structural dynamics to clarify target function and de-risk mechanistic assumptions.
- Screening: Prepares standardized structural inputs and conservation profiles that enhance assay design and compound screening readiness.
- Analytics: Delivers quantitative outputs including residue conservation scores, principal component projections, and normal mode fluctuations for objective comparison.
- Translational Research: Connects structural dynamics to functional states, supporting biomarker alignment and mechanism validation when disease-relevant variants are analyzed.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable, shareable platform for ongoing protein family analysis across projects and teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target selection by revealing evolutionarily conserved and dynamically relevant regions.
- Operational Value: Eliminates software installation and programming barriers, enabling broad adoption across multidisciplinary teams.
- Strategic Value: Reduces time-to-insight for structural hypothesis generation, improving capital efficiency in early-stage projects.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted target prioritization by providing structural and dynamic evidence for go/no-go decisions.
Implementation Considerations
- Requires familiarity with structural biology concepts such as RMSD, conservation, and normal modes to interpret outputs correctly.
- Dependent on availability and quality of PDB structures for the target protein family, which may limit applicability for poorly characterized targets.
- Necessitates cross-team agreement on structural cutoffs, alignment parameters, and clustering methods to ensure reproducible comparisons.
- Performance may vary with large structural sets; users should adjust inclusion thresholds based on computational limits and analytical goals.
- Best suited for hypothesis generation rather than definitive structural validation, requiring follow-up with experimental or high-resolution computational methods.
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
