Bio3D-webとのタンパク質配列構造ダイナミクスの関係の研究

Bio3D-webの全体的な目標は、タンパク質ファミリーの配列、構造、およびコンフォメーションの多様性に関するインタラクティブな解析を可能にすることです。Bio3D-webは、大規模なタンパク質ファミリーにおける配列、構造、およびダイナミクスの関係性の理解を支援する新しいウェブアプリです。Bio3D-webの主な利点は、ユーザーに事前のプログラミング知識を必要とせず、インタラクティブで再現可能なオンラインの配列・構造・ダイナミクス解析を提供することにあります。

解析するための構造を入力するには、タンパク質データベースで検索してアデニレートキナーゼのPDB IDを取得します。「input structure or sequence（構造または配列の入力）」パネルのテキストボックスに、アデニレートキナーゼの4文字のPDB IDを入力するか、タンパク質配列をペーストしてください。最初のパネルにある青色の「next hit selection」ボタンをクリックするか、単に下にスクロールして「panel B hit selection」に移動し、さらなる解析を行います。

カットオフ値以上のすべての構造を含めるために、「limit total number of included structures」スライダーが最大値に設定されていることを確認してください。より遠縁のヒットを含める場合は、包含BitScoreカットオフ値を下げ、除外したい場合は上げてください。PDB名、種、結合リガンドなどのテーブルの詳細を確認し、選択されたヒットが関連構造を代表していることを確認してください。

「align」タブをクリックして、検索タブで選択した構造の配列アライメントを実行します。特に配列類似性が30%未満であるなど、親縁関係が遠いタンパク質を解析する場合、アライメントエラーが発生する可能性があります。必ず「align」タブで配列アライメントを再確認し、修正してください。パネルAの「alignment summary」でアライメントの概要を確認してください。

関心領域が適切に整列しており、1つまたは複数の構造におけるギャップによって隠されていないことを確認してください。青色の「next analysis」ボタンをクリックして、収集した構造の配列ベースのクラスタリング解析を実行します。次に、青色の「next conservation」ボタンをクリックして、列ごとの残基保存性を計算します。

アライメント済みの構造セットを選択し、各アライメントポジションにおける残基保存度のプロットを生成します。Fitタブに入り、構造の重ね合わせを行ってください。目視により、タンパク質構造が対応する関連領域に重ね合わせられていることを確認してください。

マウスで構造上をドラッグして回転させ、スクロールしてズームしてください。カラーオプションをクリックして構造の配色を調整します。その後、青色の「next analysis」ボタンをクリックして、収集したPDB構造の構造ベースのクラスタリングを実行します。

プロットオプションのドロップダウンメニューでRMSDヒートマップを切り替えます。青色のnest RMSFボタンをクリックして、各残基の構造変動を表示します。また、X軸の周辺領域には主要な二次構造要素が表示されます。PCAタブに入り、主成分分析を実行します。

主成分を可視化するには、「show PC trajectory」チェックボックスをオンにし、ブラウザ内可視化ツールを用いて主成分によって記述される動きを可視化します。最初のドロップダウンメニューで主成分1（principal component one）が選択されていることを確認してください。他の主成分によって記述される動きを可視化するには、「choose principal component」ドロップダウンメニューから目的のPCを選択してください。

青色の「next plot」ボタンをクリックして、個々の構造を選択した2つのPCに投影します。X軸のPCが1に、Y軸のPCが2に設定されていることを確認してください。構造を他の主成分に投影するには、必要に応じてPC番号を調整してください。

プロット内の個々の点をクリックして、構造にラベルを付けてください。または、プロット下の表「PCA conformer plot annotation」で1つ以上の構造をハイライトしてください。青色の「next residue contributions」ボタンをクリックすることで、個々の主成分に対する残基の寄与率を計算できます。

「choose principal component」のテキストボックスにPC番号を入力することで、追加の主成分の寄与をプロットします。eNMAタブをクリックして、正規モードの計算を開始します。構造の包含または除外のカットオフ値を下げるか上げることで、構造の数を調整します。

緑色のrun ensemble NMAボタンをクリックして、法線モード解析の計算を開始します。法線モードを可視化するには、eNMAタブの2番目のパネルであるnormal modes visualizationまでスクロールしてください。青色のnext fluctuationsボタンをクリックすると、アンサンブル法線モード解析に選択された構造の残基ごとの揺らぎを計算します。

RMSDによるクラスターを切り替えて、RMSDベースのクラスタリングに基づき変動プロファイルを色分けします。「spread lines」チェックボックスを切り替えると、グループ化された変動プロファイルを互いに離してプロットできます。次に、青色の「next PCA versus NMA」ボタンをクリックして、個々の正規モードと主成分の間の類似性を計算します。

下部の青い「次へ」ボタンをクリックして、解析結果、ユーザー定義入力、およびパラメータ選択のレポートを生成してください。レポートは、共有可能なPDF、Word、HTML形式でダウンロードできます。また、レポートには後で解析セッションを再訪するためのリンクが含まれており、共同研究者に共有することも可能です。

ここでは、同定された不変コアに重ね合わせられたアデニレートキナーゼの利用可能なPDB構造を示しています。構造は、fitタブで提供されるRMSDベースのクラスタリングに従って色分けされています。データセットにおける主要な構造変動を特徴付けるための主成分の視覚化は、PCAタブから確認できます。

ここでは、タンパク質の大規模な閉鎖運動を示すチューブ表現で、第1主成分に対応する軌跡が表示されています。構造は、コンフォーマープロット上の最初の2つの主成分に投影されており、構造変動の低次元表現が示されています。各ドットまたは構造は、ユーザーが指定した基準（この場合はPCAベースのクラスタリング結果）に従って色分けされています。

eNMAタブでの正規モード解析により、閉じた状態と比較して開いた状態の構造では、局所的および全体的なダイナミクスが強化されることが示唆されます。Bio3D-webを使用すれば、配列および構造セットを探索し、関心のあるタンパク質ファミリーにおける一般的な傾向を数分で理解することが可能です。Bio3D-webは、キネシン超ファミリーの構造解析に役立ちました。

Bio3D-webは、配列・構造・ダイナミクスの関係を完全にカスタマイズして調査するための包括的なワークフローを提供します。このワークフローには、PCAを用いた共配座関係のマッピング機能や、アンサンブルNMAを用いて不均一な大量の構造セットにおける局所的および全域的なダイナミクスを定量的に比較する機能が含まれています。多くの研究者がBio3D-webを利用することで、関心のあるタンパク質ファミリーにおける一般的な傾向を把握し、それを基にさらに専門的な解析へと展開することが期待されています。

したがって、Bio3D-webは、ユーザーが定義したすべてのパラメータを含む、共有可能なサマリーレポートを備えた仮説生成ツールとして設計されています。Bio3D-webの結果はダウンロード可能であり、さらなる詳細な解析のためにBio3D-Rパッケージと完全に互換性があります。現在、特定のタンパク質ファミリーに対して、多くの場合異なる条件下で決定された多くの構造を利用することが可能です。

これら多数の構造を比較することで、リガンド結合、触媒作用、アロステリック調節など、その機能に不可欠な構造メカニズムについて知ることができます。Bio3D-webは、専用のソフトウェアをインストールしたり、新しいプログラミング言語を学習したりすることなく、幅広くアクセスでき、簡単に利用可能です。Bio3D-webは、すべての主要なブラウザでサポートされています。

ローカルセットアップのための完全なソースコードとセットアップ手順が無料で提供されています。