Name: 化学架橋質量分析による第四次構造モデリング:TX-MSジュピターレポートの拡張 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-10-20T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 18 s
Description: 学ぶ化学架橋質量分析によるタンパク質第四次構造モデリング。Cheetah-MSウェブサーバーとJupyter Notebookを活用し、RosettaDockプロトコルで計算モデリングを行い、再現性のある解析レポートを作成する方法です。

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この研究は、Knut and Alice Wallenberg財団(助成金番号2016.0023)とスイス国立科学財団(助成金番号。P2ZHP3_191289)。さらに、チューリッヒ大学S3ITの計算インフラと技術サポートに感謝します。

1. https://txms.org でワークフローを送信します。
<ol><li>https://txms.org に移動し、「チーターMSを使用」をクリックします。</li>
	<li>ワークフローを送信するには、2 つの PDB ファイルと 1 つの MS/MS mzML または MGF ファイルを指定する必要があります。「サンプルデータの読み込み」をクリックして、ワークフローのデモ版を表示することもできます。 注: ジョブのサブミット方法の詳細については、ウェブサーバーのマニュアルページを参照してください。ウェブサーバーは、さまざまな非切断性架橋剤、最大12の翻訳後修飾(PTM)、計算モデリングおよびMSデータ分析に関連するオプションをサポートしています。小さなヘルプボタンも送信ページに設計されており、各オプションに関する詳細情報を表示します。</li>
</ol>2.チーターMSを実行します。
メモ: ProteoWizard MSConvert ソフトウェア19 を使用して、ベンダー固有の形式を mzML または MGF に変換します。
<ol><li>MS データを https://txms.org にアップロードします。次に、「ファイルを選択」をクリックして、mzML / MGFデータ形式18でなければならないMSデータを選択します。 メモ: サンプルデータは https://txms.org で入手できます。これらのデータは、zenodo.org DOI 10.5281/zenodo.3361621 から直接アクセスすることもできます。</li>
	<li>2 つの PDB ファイルを https://txms.org にアップロードします。「ファイルを選択」をクリックし、アップロードするPDBファイルを選択します。 メモ: 実験構造が存在しない場合は、例えば、ホモログ構造が利用可能な場合は SWISS-MODEL20、または de novo 構造予測用の trRosetta 21,22 または Robetta 23,24 ウェブサーバーを使用してモデルを作成します。</li>
	<li>新しいワークフローを送信します。「送信」をクリックすると、ジョブ識別子タグが届きます。次に、このタグを使用してフォームに従って結果セクションに移動します。 注: 結果の計算には時間がかかるため、ワークフローが終了するまで待ってから、ジョブ識別子タグを保存して結果ページに戻ってください。計算は、リモートの計算インフラストラクチャ上で実行されます。TX-MSをローカルで実行したい場合は、Hauri et al.10を参照してください。</li>
	<li>Jupyter ノートブック レポートをオンライン ビューアーを使用して調べます。次に、ジョブ識別子タグを使用して、結果セクションの「レポート」までスクロールダウンします。</li>
</ol>3. JupyterHub をインストールします。
<ol><li>https://docs.docker.com/install/ の指示に従ってドッカーをインストールします。</li>
	<li>Jupyter openBIS25 拡張機能を含む JupyterHub ドッカーコンテナをダウンロードします。一般的なコマンドは "docker pull malmstroem/jove:latest," ですが、他のプラットフォームでは異なる場合があります。 注: コンテナーのダウンロード方法に関する一般的な説明については、「https://www.docker.com/get-started」を参照してください。zenodo.org DOI 10.5281/zenodo.3361621 からコンテナをダウンロードすることも可能です。 注: Jupyter openBIS 拡張ソースコードは、https://pypi.org/project/jupyter-openbis-extension/ から入手できます。</li>
	<li>ドッカーコンテナを起動します: docker run -p 8178:8000 malmstroem/jove:latest. メモ: JupyterHub がデフォルトで使用するポートは 8000 です。このポートは設定可能であり、上記のコマンドは変更に応じて調整する必要があります。ポート 8178 は任意の選択であり、変更できます。以下に示す URL の例は、それに応じて調整する必要があります。</li>
	<li>次のアドレスに移動します: http://127.0.0.1:8178。ユーザー名 "user" とパスワード "user" を使用してログインします。 メモ: アドレス http://127.0.0.1 は、docker コンテナがローカルコンピュータで実行されていることを意味します。ドッカーコンテナがサーバー上で実行されている場合は、サーバーのIPアドレスまたはURL(https://example.com など)を使用します。ドッカーコンテナは、Ubuntu Bionic 18.04、JupyterHub 0.9.6、およびJupyter openBIS拡張0.2に基づいています。これを他のオペレーティングシステムにインストールすることは可能ですが、これはテストされていません。</li>
</ol>4. レポートをダウンロードします。
<ol><li>[新規] をクリックして新しいノートブックを作成 |ページの右上近くにあるメニューを使用するPython 3。これにより、 Untitled (または同様のもの)というノートブックを含む新しいタブが開きます。</li>
	<li>ジュピターツールメニューの「openBIS接続の設定」をクリックします。</li>
	<li>名前を入力します: txms;URL: https://txms.org;ユーザー: ゲスト;パスワード: ゲストパス wd.</li>
	<li>「接続」をクリックします。</li>
	<li>新しい接続を選択し、「接続を選択」をクリックします。</li>
	<li>レポートテンプレート (/CHEETAH/WF70 など) を検索し、[ ダウンロード] をクリックします。 注: Cheetah-MS Web サーバーでジョブを実行して取得した結果とレポートに基づいて、レポート テンプレートを調整する必要があります。</li>
	<li>[セル |] をクリックしてレポートを再実行します。 すべて実行。</li>
</ol>5. レポートを拡張します。
<ol><li>下部に新しいセルを追加する: セル|下に挿入します。</li>
	<li>必要なコードを入力します。例については、以下の「代表的な結果」セクションを参照してください。</li>
	<li>「Shift-Enter」を押してセルを実行します。</li>
</ol>

<ol><li>Berman, H. M., et al. The Protein Data Bank. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBerman%2C+HM+%22Acta+Crystallographica+Section+D%3A+Biological+Crystallography%22">Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography</a>. 58 (6), 899-907 (2002).</li>
<li>Herzog, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+Probing+of+a+Protein+Phosphatase+2A+Network+by+Chemical+Cross-Linking+and+Mass+Spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Structural Probing of a Protein Phosphatase 2A Network by Chemical Cross-Linking and Mass Spectrometry.</a> Science. 337 (6100), 1348-1352 (2012).</li>
<li>Hoopmann, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kojak%3A+efficient+analysis+of+chemically+cross-linked+protein+complexes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Proteome+Research%22%5BJournal%5D)">Kojak: efficient analysis of chemically cross-linked protein complexes.</a> Journal of Proteome Research. 14 (5), 2190-2198 (2015).</li>
<li>Seebacher, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+cross-linking+analysis+using+mass+spectrometry%2C+isotope-coded+cross-linkers%2C+and+integrated+computational+data+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Proteome+Research%22%5BJournal%5D)">Protein cross-linking analysis using mass spectrometry, isotope-coded cross-linkers, and integrated computational data processing.</a> Journal of Proteome Research. 5 (9), 2270-2282 (2006).</li>
<li>Rinner, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+cross-linked+peptides+from+large+sequence+databases%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Identification of cross-linked peptides from large sequence databases.</a> Nature Methods. 5 (4), 315-318 (2008).</li>
<li>Walzthoeni, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((False+discovery+rate+estimation+for+cross-linked+peptides+identified+by+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">False discovery rate estimation for cross-linked peptides identified by mass spectrometry.</a> Nature Methods. 9 (9), 901-903 (2012).</li>
<li>Yang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+cross-linked+peptides+from+complex+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Identification of cross-linked peptides from complex samples.</a> Nature Methods. 9 (9), 904-906 (2012).</li>
<li>Chu, F., Baker, P. R., Burlingame, A. L., Chalkley, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finding+Chimeras%3A+a+Bioinformatics+Strategy+for+Identification+of+Cross-linked+Peptides%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+%26+Cellular+Proteomics%22%5BJournal%5D)">Finding Chimeras: a Bioinformatics Strategy for Identification of Cross-linked Peptides.</a> Molecular & Cellular Proteomics. 9 (1), 25-31 (2010).</li>
<li>Holding, A. N., Lamers, M. H., Stephens, E., Skehel, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hekate%3A+Software+Suite+for+the+Mass+Spectrometric+Analysis+and+Three-Dimensional+Visualization+of+Cross-Linked+Protein+Samples%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Proteome+Research%22%5BJournal%5D)">Hekate: Software Suite for the Mass Spectrometric Analysis and Three-Dimensional Visualization of Cross-Linked Protein Samples.</a> Journal of Proteome Research. 12 (12), 5923-5933 (2013).</li>
<li>Hauri, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+determination+of+quaternary+protein+structures+in+complex+biological+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Rapid determination of quaternary protein structures in complex biological samples.</a> Nature Communications. 10 (1), 192(2019).</li>
<li>Röst, H. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((OpenSWATH+enables+automated%2C+targeted+analysis+of+data-independent+acquisition+MS+data%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">OpenSWATH enables automated, targeted analysis of data-independent acquisition MS data.</a> Nature Biotechnology. 32 (3), 219-223 (2014).</li>
<li>Röst, H. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((OpenMS%3A+a+flexible+open-source+software+platform+for+mass+spectrometry+data+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">OpenMS: a flexible open-source software platform for mass spectrometry data analysis.</a> Nature Methods. 13 (9), 741-748 (2016).</li>
<li>Quandt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+synthetic+peptides+to+benchmark+peptide+identification+software+and+search+parameters+for+MS%2FMS+data+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22EuPA+Open+Proteomics%22%5BJournal%5D)">Using synthetic peptides to benchmark peptide identification software and search parameters for MS/MS data analysis.</a> EuPA Open Proteomics. 5, 21-31 (2014).</li>
<li>Bradley, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Free+modeling+with+Rosetta+in+CASP6%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%3A+Structure%2C+Function%2C+and+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Free modeling with Rosetta in CASP6.</a> Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 61 (S7), 128-134 (2005).</li>
<li>Gray, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+protein-protein+docking%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Structural+Biology%22%5BJournal%5D)">High-resolution protein-protein docking.</a> Current Opinion in Structural Biology. 16 (2), 183-193 (2006).</li>
<li>Khakzad, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cheetah-MS%3A+a+web+server+to+model+protein+complexes+using+tandem+cross-linking+mass+spectrometry+data%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Cheetah-MS: a web server to model protein complexes using tandem cross-linking mass spectrometry data.</a> Bioinformatics. , (2021).</li>
<li>Malmström, L. Chapter 15: Computational Proteomics with Jupyter and Python. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMalmstr%C3%B6m%2C+L+%22Methods+in+Molecular+Biology%22">Methods in Molecular Biology</a>. 15, Clifton, N.J. 237-248 (1977).</li>
<li>Martens, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((mzML--a+community+standard+for+mass+spectrometry+data%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+%26+Cellular+Proteomics%22%5BJournal%5D)">mzML--a community standard for mass spectrometry data.</a> Molecular & Cellular Proteomics. 10 (1), (2011).</li>
<li>Chambers, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+cross-platform+toolkit+for+mass+spectrometry+and+proteomics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">A cross-platform toolkit for mass spectrometry and proteomics.</a> Nature Biotechnology. 30 (10), 918-920 (2012).</li>
<li>Waterhouse, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SWISS-MODEL%3A+homology+modelling+of+protein+structures+and+complexes%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Research%22%5BJournal%5D)">SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes.</a> Nucleic Acids Research. 46 (W1), W296-W303 (2018).</li>
<li>Yang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+protein+structure+prediction+using+predicted+interresidue+orientations%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Improved protein structure prediction using predicted interresidue orientations.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (3), 1496-1503 (2020).</li>
<li>Koehler Leman, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Macromolecular+modeling+and+design+in+Rosetta%3A+recent+methods+and+frameworks%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Macromolecular modeling and design in Rosetta: recent methods and frameworks.</a> Nature Methods. 17 (7), 665-680 (2020).</li>
<li>Chivian, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+CASP6+structures+using+automated+Robetta+protocols%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%3A+Structure%2C+Function%2C+and+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Prediction of CASP6 structures using automated Robetta protocols.</a> Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 61 (S7), 157-166 (2005).</li>
<li>Chivian, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+prediction+of+CASP-5+structures+using+the+Robetta+server%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%3A+Structure%2C+Function%2C+and+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Automated prediction of CASP-5 structures using the Robetta server.</a> Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 53 (S6), 524-533 (2003).</li>
<li>Bauch, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((openBIS%3A+a+flexible+framework+for+managing+and+analyzing+complex+data+in+biology+research%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">openBIS: a flexible framework for managing and analyzing complex data in biology research.</a> BMC Bioinformatics. 12, 468(2011).</li>
<li>Lima, D. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SIM-XL%3A+A+powerful+and+user-friendly+tool+for+peptide+cross-linking+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Proteomics%22%5BJournal%5D)">SIM-XL: A powerful and user-friendly tool for peptide cross-linking analysis.</a> Journal of Proteomics. 129, 51-55 (2015).</li>
<li>Happonen, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+Streptococcus+pyogenes-human+protein-protein+interaction+map+reveals+localization+of+opsonizing+antibodies%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">A quantitative Streptococcus pyogenes-human protein-protein interaction map reveals localization of opsonizing antibodies.</a> Nature Communications. 10, 2727(2019).</li>
<li>Khakzad, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+determination+of+Streptococcus+pyogenes+M1+protein+interactions+with+human+immunoglobulin+G+using+integrative+structural+biology%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+Computational+Biology%22%5BJournal%5D)">Structural determination of Streptococcus pyogenes M1 protein interactions with human immunoglobulin G using integrative structural biology.</a> PLOS Computational Biology. 17 (1), E1008169(2021).</li>
<li>Khakzad, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+cross-linking+MS+of+the+complement+system+MAC+assembled+on+live+Gram-positive+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Genetics%22%5BJournal%5D)">In vivo cross-linking MS of the complement system MAC assembled on live Gram-positive bacteria.</a> Frontiers in Genetics. 11, (2020).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もありません。

現代の計算ワークフローは、多くの場合、多くの異なるベンダーの複数のツール、複雑な相互依存関係、大量のデータ、および多面的な結果により、複雑です。その結果、結果を得るために必要なすべてのステップを正確に文書化することがますます困難になり、与えられた結果を再現することが困難になっています。ここでは、汎用レポートを生成する自動化ワークフローの自動化と容易さと、レポートを再現可能な方法でカスタマイズする柔軟性を組み合わせた一般的な戦略を示します。
プロトコールが機能するためには、3つの要件を満たす必要があります:まず、分析のために選択されたタンパク質は、化学架橋実験が質量分析計によって検出されるのに十分な高濃度で架橋種を産生することができるような方法で相互作用する必要があります。異なる質量分析計は、異なる検出レベルを有し、また、取得プロトコルおよび架橋試薬の選択に依存する。TX-MSプロトコルの現在のバージョンでは、リジン-リジンホモ二官能性架橋試薬であるDSSのみが可能です。それでも、この制限は、主に、機械学習ステップを他の試薬用に調整する必要がある可能性によるものです。Cheetah-MS Webサーバーでは、さらに2つの架橋試薬が考えられるため、この制限が改善されましたが、3つはすべて非切断可能な試薬です。第二に、2つのタンパク質は、実験的に決定された構造を有するか、比較モデリング技術または de novo 技術を用いてモデル化される必要がある。すべてのタンパク質をモデル化できるわけではありませんが、改良されたソフトウェアとPDB内の実験構造の絶え間ない沈着の組み合わせにより、モデル化できるタンパク質の数が増加します。第三に、相互作用するタンパク質は、TX-MSおよびチーター-MSによって使用されているドッキングアルゴリズムがスコアリングを可能にするために適切な品質の第四次構造を作成できるように、結合状態および非結合状態において十分に類似したままであるべきである。許容可能な品質はシステム依存性が高く、既知の構造の小さなタンパク質は一般に未知の構造の大きなタンパク質よりも比較が容易であるため、この要件は比較的曖昧です。
陰性の結果の場合、まずTX-MSが同じポリペプチド鎖の一部である残基間のイントラリンク、架橋を発見したことを確認する。何も発見されない場合、最も可能性の高い説明は、サンプル調製またはデータ収集に何らかの問題があったことです。複数の距離拘束がモデルをサポートしていない場合は、モデルを視覚的に検査して、コンフォメーションが架橋残基によってサポートされていることを確認します。少なくとも 1 つの架橋を中断することなく、インターアクターの 1 つをピボットする明白な方法はありません。所与の架橋試薬に対して許容距離よりも長い架橋がある場合、架橋データを組み込むことによってインターアクターのモデリングを改善しようとする。
選択したソフトウェアの感度がTX-MSの感度に匹敵する限り、代替ソフトウェアアプリケーションを使用して同等の結果を達成することができます。たとえば、RosettaDock、HADDOCK などのオンライン バージョンがあります。また、xQuest/xProphet 5,6、plink7、および SIM-XL26 を使用して化学架橋データを解析することもできます。
TX-MSとチーター-MSを新規プロジェクト27、28、29に継続的に適用し、これらのアプローチによって作成されたレポートを改善し、レポートを大きくすることなく、結果のより詳細な分析を可能にします。

タンパク質間相互作用は、生体系の構造と機能を支えています。タンパク質の4次構造にアクセスできると、2つ以上のタンパク質がどのように相互作用して高次構造を形成するかについての洞察を得ることができます。残念ながら、第四次構造を取得することは依然として困難です。これは、2つ以上のポリペプチドを含む比較的少数のタンパク質データバンク(PDB)エントリ1に反映されている。タンパク質間相互作用は、X線結晶構造解析、NMR、クライオEMなどの技術で研究することができますが、これらの方法を適用できる条件下で十分な量の精製タンパク質を得るには時間がかかることがあります。
化学架橋質量分析法は、質量分析法を使用して任意の複雑なサンプルに関するデータを取得することができるため、サンプル調製の制限の少ないタンパク質間相互作用に関する実験データを得るために開発されました2、3、4、5、6、7、8、9.しかし、データ分析の組み合わせの性質と架橋ペプチドの数が比較的少ないため、分析前にサンプルを分画する必要があります。この欠点に対処するために、我々は、計算モデリングと化学架橋質量分析法10を組み合わせた方法であるTX-MSを開発しました。TX-MSは、任意に複雑なサンプルに使用でき、以前の方法と比較して有意に高感度である10。これは、各MSスペクトルを独立して解釈するのではなく、所与のタンパク質間相互作用に関連するすべてのデータをセットとしてスコアリングすることによってこれを達成する。TX-MSはまた、高分解能MS1(hrMS1)、データ依存集録(DDA)、およびデータ非依存集録(DIA)の最大3つの異なるMS取得プロトコルを使用し、複数の観察を組み合わせることによって架橋ペプチドを同定する機会をさらに提供します。TX-MS の計算ワークフローは、いくつかの理由で複雑です。まず、複数のMS解析ソフトウェアプログラム11、12、13に依存してタンパク質構造モデル14、15を作成する。第二に、データ量は相当な量になる可能性があります。第 3 に、モデリング ステップは、コンピューターの処理能力を大量に消費する可能性があります。
したがって、TX−MSは、コンピュータクラウドまたはクラスタなどの大規模な計算インフラストラクチャ上で動作するCheetah−MSウェブサーバ16を介して、自動化された単純化された計算ワークフローとして最もよく使用される。結果の解釈を容易にするために、我々はインタラクティブなJupyter Notebook17を作成した。ここでは、Jupyter Notebook レポートを拡張して、特定の結果のより詳細な分析を行う方法を示します。

<table><tbody><tr><td>目的のタンパク質の 2 つの Protein DataBank ファイル。</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>txms.org および zenodo.org で利用可能なサンプルファイル、DOI 10.5281/zenodo.3361621</td></tr><tr><td>目的のタンパク質が架橋されたサンプルで取得されたmzMLデータファイル。</td><td>N/A</td><td>N/</td><td>A txms.org または zenodo.org で利用可能なサンプルファイル、DOI 10.5281/zenodo.3361621</td></tr></tbody></table>

化学架橋質量分析による第四次構造モデリング:tx-msジュピターレポートの拡張

Quaternary Structure Modeling Through Chemical Cross-Linking Mass Spectrometry: Extending TX-MS Jupyter Reports

タンパク質間相互作用は、研究が困難な場合がありますが、生物学的システムがどのように機能するかについての洞察を提供します。標的架橋質量分析(TX-MS)は、第四級タンパク質構造モデリングと化学架橋質量分析を組み合わせた方法であり、複雑な未分画サンプルから得られたデータを使用して高精度の構造モデルを作成します。これにより、目的のタンパク質を大量に精製する必要がなくなるため、タンパク質複合体構造解析における大きな障害の1つが取り除かれます。Cheetah-MSウェブサーバーは、プロトコルの簡略化されたバージョンをコミュニティにとってよりアクセスしやすくするために開発されました。タンデムMS/MSデータを考慮して、Cheetah-MSは最も重要な分析結果を要約したグラフィカルレポートであるJupyter Notebookを生成します。Jupyter ノートブックを拡張すると、より詳細な洞察が得られ、モデルとそれをサポートする質量分析データをよりよく理解できます。ここで紹介する技術プロトコルは、最も一般的な拡張機能のいくつかを示し、どのような情報を得ることができるかを説明します。これには、タンデムMS/MS集録データと、検出されたXLが報告された第4次モデルに対する全体的な影響を分析するのに役立つブロックが含まれています。このような解析の結果は、NGLView を使用してノートブックに埋め込まれた構造モデルに適用できます。

TX-MSは、MS由来の実験的制約によって支持される構造出力を提供する。これは、異なるMSデータ集録タイプと計算モデリングを組み合わせることによって機能します。したがって、各 MS データを個別に解析し、出力構造を視覚化すると便利です。 補足データ 1 には、TX-MS 出力として生成された DDA および DIA データを解析できるノートブックの例が含まれています。ユーザーは目的の XL を選択できます。ノートブックを実行することにより、そのXLのMS2スペクトルが表示され、異なる色が第1のペプチド、第2のペプチド、および組み合わせ断片イオンに関連する断片を区別するのに役立ちます。XLは、Jupyterノートブックに埋め込まれたNGLViewウィジェットを使用して構造にマップすることもできます。
このノートブックの別のセルは、ユーザーが DIA データを解析して視覚化するのに役立ちます。ただし、DIAデータの視覚化は、分析されたデータを正しい形式で準備する必要があるため、より困難です。
図1 は、M1とアルブミンの構造例を示しており、その構造上にトップXLがマッピングされています。TX-MSはhrMS1、DDA、DIAデータを解析した後にすべてのXLを取得し、RosettaDockプロトコルは計算モデルを提供しました。
このレポートは Jupyter ノートブックであるため、有効な Python コードを新しいノートブック セルに追加できます。たとえば、次のコードは、MS2 カウントに対してヒストグラムを作成し、基になるデータによって各クロスリンクがどの程度サポートされているかを示します。 SENとしてシーボーンをインポートする sns.distplot(ms2['count']);
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60311/60311fig01.jpg"> 図1:ストレプトコッカス・ピオゲネスM1タンパク質とヒトアルブミンの構造モデルとXLsを構造上にマッピングした。 M1タンパク質は灰色で示され、ホモ二量体を構成する。6つのアルブミン分子は、青色の様々な色合いで対として提示される。クロスリンクと距離は赤で、黒のテキストで示されます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60311/60311fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル。ジュピター ノートブック データ。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60311/Supplementary%20Data%201.ipynb" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

標的架橋質量分析は、最大3つの異なる取得プロトコルを使用して取得した質量分析データを使用して、第4級タンパク質構造モデルを作成します。Cheetah-MS Webサーバーで簡略化されたワークフローとして実行すると、結果はJupyter Notebookに報告されます。ここでは、Jupyter ノートブックを拡張してより詳細な分析を行う方法の技術的な側面を示します。

化学架橋質量分析による第四次構造モデリング:TX-MSジュピターレポートの拡張

Protein-protein interactions can be challenging to study yet provide insights into how biological systems function. Targeted cross-linking mass ...

この方法は、Jupyter Notebookの機能を使用して、有益で視覚的に魅力的なレポートを提供しながら、ユーザーが再現可能で追跡可能な方法でレポートを拡張およびカスタマイズできるようにします。この柔軟な技術により、すべてのユーザーの変更を十分な詳細でキャプチャして、後の時間枠で、または別のユーザーによって再現することができます。この方法は一般的にあらゆる研究分野に適用できますが、主に複雑なデータを生成することができる研究分野であるケカビの生命科学のために設計されています。分析を開始する前に、ターゲット架橋質量分析のウェブサイトを開きます。Web サイトに移動すると、TX MS.web サービスの概要を説明するようこそ画面が表示されます。チュートリアルタブでは、サービスの使用方法や結果の分析方法に関する情報など、提供されるサービスの詳細な説明を確認できます。[ダウンロード] タブでは、ソフトウェアとリソースをダウンロードできます。すべてのソフトウェアは、オープンソースライセンスの下で利用可能です。「ライセンス」タブでは、BSD 3 節ライセンスがソフトウェアを可能な限り広く使用できるように明示的にしています。[連絡先] タブには、質問やコメントを送信するための連絡先情報が表示されます。ユーザーの資格情報を要求する電子メールを送信するには、[Cheetah] タブに戻り、ページの下部にある電子メール アドレスのハイパーリンクをクリックします。メール本文の件名に関連情報を入力します。返信はできるだけ早く送信されます。ユーザー資格情報が記載された確認メールを受信したら、ログインして質量分析データをウェブサイトにアップロードします。[ワークフローの送信] をクリックし、タイトルと説明を入力します。次に、[ワークフローの表示] をクリックし、[チーター] ワークフローを選択します。ウィザードを実行した後、オンライン ビューアーを使用して Jupyter ノートブックを検査します。JupyterHub をインストールするには、指示に従って Docker をインストールし、Jupyter openBIS 拡張子を持つ JupyterHub Docker コンテナーをダウンロードします。Dockerを起動した後、P8171:8000 malmstroem/jove:latest コンテナを実行します。指定されたWebアドレスに移動し、ユーザー名とパスワードユーザーでログインします。レポートをダウンロードするには、Python 3 で [新規] をクリックして、タイトルのないノートブックを含む新しいタブを開きます。[Jupyter ツール] メニューの [openBIS 接続の構成] をクリックし、名前に TX MS、URL に TX MS Web アドレス、ユーザーの場合はゲスト、パスワードには G-U-E-S-T-P-A-S-S-W-D と入力します。新しい接続を選択し、[接続の選択] をクリックしてレポートを検索します。次に、クリックし、セルにダウンロードし、すべてを実行してレポートを返します。レポートを拡張するには、セルをクリックし、下に挿入して下部に新しいセルを追加します。次に、コードをクリックし、Shift キーを押しながら Enter キーを押してセルを実行します。レポートをアップロードするには、アップロード ボタンをクリックして新しいデータセットを作成します。M1およびアルブミンの代表的な構造を、その構造上にマッピングされたトップ架橋とともに、ここに示す。すべての架橋は、高分解能MS1データ依存および独立した取得データを解析した後、標的架橋質量分析によって得られ、計算モデルはRosettaDockプロトコルによって提供された。タンパク質タンパク質の相互作用は、その安定性の点で多様であることを覚えておくことが重要です。したがって、結果は異なる場合があります。現在の方法論は二項相互作用に限定されているため、より複雑なタンパク質第四級構造には適用できない。ただし、個々のペアをモデル化することは、より複雑な構造を構築するための優れた基盤を提供できます。結合界面に関する詳細は、多くの点で有用であり得、例えば、タンパク質相互作用を安定化または不安定化させることができる変異を示唆する。したがって、これはタンパク質間相互作用の役割をよりよく理解するのに役立ちます。

quaternary-structure-modeling-through-chemical-cross-linking-mass

Research

JoVE Journal

Biochemistry

生物化学

質量分析は、大規模なタンパク質複合体を分析するための貴重なツールであることが実証されています。このメソッドは、マルチサブユニットのアセンブリの構成、化学量論と全体的なアーキテクチャへの洞察が可能になります。ここで、我々は、構造的な質量分析を実行し、巨大分子構造を特徴づける方法を、順を追って、説明します。...

構造質量分析法によって大きなタンパク質複合体の分析

イオンモビリティー質量分析法は、その衝突断面積と質量に基づいて、イオンを分離する新興気相技術です。方法は、タンパク質複合体の全体的なトポロジーと形状の三次元情報を提供します。ここで、我々は、機器設定や最適化、ドリフト時間のキャリブレーション、およびデータ解釈のための基本的な手順を概説する。...

T波イオンモビリティー質量分析：タンパク質複合体解析のための基本的な実験手順

原子分解能で分子タンパク質複合体の構造は、多様な生命現象で重要な役割のため関連性が高いです。ここで、マジック角回転固体核磁気共鳴分光法 (MAS SSNMR) による不溶性と非晶質高分子タンパク質複合体の高分解能構造解析を実行するためのプロトコルを提案する.

固体核磁気共鳴分光法による高分子アセンブリの原子スケール構造の研究

正確に高分解能質量分析計を接続した液体クロマトグラフィーによる定圧ラベリング、広範な分別、バイオインフォマティクス...

定圧ラベリング、豊富な液体クロマトグラフィー、質量分析法、およびソフトウェアによる定量化して深いプロテオームをプロファイリング

タンパク質複合体の建築はその機能は欠かせません。様々...

化学架橋と複合体タンパク質複合体の建築を学びそのまま蛋白質の複合体の質量分析法を組み合わせた

質量分析 (MS) は、高分子アセンブリのダイナミクスと構造調査のための重要なツールとして浮上しています。ここでは、我々 はタンパク質複合体形成とリガンドを尋問する MS ・ ベース ・...

タンパク質のアーキテクチャと統合構造質量分析法によるタンパク質-リガンド複合体の分析

システイン豊富なペプチッドは、二硫化接続に応じて異なる立体構造に折る。個々 のジスルフィド異性体のターゲットを絞った合成は、バッファー酸化が必要な二硫化接続につながるしない場合に必要です。プロトコルを扱う 3 ジスルフィド結合ペプチド、NMR および MS/MS...

合成と異なる二硫化接続と μ-コノトキシン PIIIA 異性体の構造決定

ここでは、小角 x 線散乱 (SAXS) を高分子の構造を表す低解像度の封筒に情報を取得する利用できる方法を提案します。X 線結晶構造解析や核磁気共鳴などの高分解能構造技術と組み合わせて使用すると、小角はマルチ...

小角 x 線散乱による溶液中の高分子の構造研究

質量分析検出を用いてジエチルピロカーボネートベースの共有標識を行うための実験的手順について説明する。ジエチルピロカーボネートは、単に目的のタンパク質またはタンパク質複合体と混合され、溶媒にアクセス可能なアミノ酸残基の修飾につながる。修飾残基は、タンパク質分解と液体クロマトグラフィー/質量分析分析の後に同定することができる。...

質量分析によるタンパク質高次構造の研究のためのジエチルピロカーボネートとの共有結合標識

sheathless多孔チップインタフェース設計を使用してキャピラリー電気泳動 - 質量分析法による生体試料の代謝プロファイリングのためのプロトコルが提供されます。...

生体試料の代謝プロファイリングのためのSheathlessキャピラリー電気泳動 - 質量分析法

学ぶ化学架橋質量分析によるタンパク質第四次構造モデリング。Cheetah-MSウェブサーバーとJupyter Notebookを活用し、RosettaDockプロトコルで計算モデリングを行い、再現性のある解析レポートを作成する方法です。

化学架橋質量分析による第四次構造モデリング:TX-MSジュピターレポートの拡張

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