Name: 분자 시각화 프리웨어를 사용하여 효소 활성 사이트 모델링 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-12-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 37 s
Description: 배우세요 효소 활성 사이트 모델링을 iCn3D, Jmol, PyMOL, UCSF ChimeraX를 사용하여. 글루코키나아제의 구조를 시각화하고 리간드 주변 5 Å 내 잔기를 선택하는 방법을 익혀 구조생물학 연구에 활용하세요.

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이 작업에 대한 기금은 국립 과학 재단에 의해 제공되었습니다 :
학부 STEM 교육 보조금 개선 (상 #1712268)
학부 생물학 교육 학부 연구 조정 네트워크 (상 # 1920270)
우리는 Jmol에 대한 유용한 토론에 대한 카스텐 테이스, 박사, 웨스트 필드 대학, 감사합니다.

저자는 이 논문에 설명된 연구와 관련된 관련 또는 중대한 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.

이 프로토콜은 생체 분자 모델링을 위한 4개의 인기 있는 프로그램에 적용되는 효소 활성 부위의 모델링을 위한 10단계 과정을 간략하게 설명합니다. 프로토콜의 중요한 단계는 활성 부위의 리간드를 식별하고, 활성 부위를 정의하기 위해 5Å 내의 잔류물을 선택하고, 활성 부위 리간드와 효소의 상호 작용을 보여주는 것입니다. 생물학적 기능에 관련된 리간드를 구별하는 것이 가장 중요하며, 이를 통해 사용자는 리간드를 결합하는 역할을 할 수 있는 5Å 내에서 아미노산 잔류물을 정의할 수 있습니다. 마지막으로, 이 프로그램을 사용하여 분자 상호 작용을 표시하면 사용자는 결합을 촉진하는 분자 상호 작용을 이해하는 데 필요한 기술을 개발할 수 있습니다.
컴퓨터 기반 분자 모델링 프로토콜의 제한은 특정 명령 및 구문에 대한 의존성입니다. 생화학 적 프로토콜은 절차의 작은 변화에 관대 할 수 있지만, 절차가 밀접하게 준수되지 않는 경우 컴퓨터 기반 조사는 격렬하게 다른 최종 제품을 얻을 수 있습니다. 이는 특정 출력을 달성하기 위해 프로그램별 구문이 필요한 명령줄 인터페이스를 사용할 때 특히 중요하며, 구두점이나 대문자로 인해 명령이 실패할 수 있습니다. 각 프로그램에 대한 다양한 위키와 매뉴얼이 있으며, 여기서 사용자는 명령줄 입력을 찾고 문제를 해결할 수 있습니다. 사용자는 명령 구문의 세부 사항에 주의해야 합니다. 대부분의 분자 시각화 프로그램에는 인터페이스의 복잡성으로 인해 실행 취소 명령이 포함되어 있지만 실행 취소 명령은 항상 마지막 실행단계를 충실하게 되돌리는 것은 아닙니다. 따라서 특히 새 사용자에게 현재 작업 상태를 저장하는 것이 좋습니다.
모델 자체를 만드는 데 사용되는 데이터에서 추가 제한이 발생할 수 있습니다. 단백질 데이터 뱅크에 내재된 표준은 일정 수준의 일관성을 보장하지만 분자 시각화 프로그램의 사용자는 종종 단백질 렌더링에서 예기치 않은 영향을 미칩니다. 첫째, 대부분의 구조는 단백질의 단일 모델을 제공하는 X선 결정학을 사용하여 결정됩니다. 그러나 NMR 구조는 한 번에 하나씩 시각화할 수 있는 여러 모델로 구성되는 경우가 많습니다. 둘째, 결정학 또는 극저온 전자 현미경 실험에서 결정된 구조물은 그 위치가 해명될 수 없는 원자를 포함할 수 있고 단백질의 특정 표현에 있는 간격으로 나타날 수 있습니다. 단백질 구조는 사이드 체인의 대체 적합성을 가질 수 있으며, 스틱 렌더링에 표시될 때 동일한 아미노산 백본에서 튀어나온 두 개의 그룹으로 나타납니다. 백본의 짧은 부분조차도 이러한 대체 적합성을 가질 수 있으며 때로는 리간드가 둘 이상의 바인딩 형태로 활성 부위에 중첩됩니다.
결정 구조의 경우, 증착된 3D 좌표에는 비대칭 장치의 모든 구성 요소가 포함되며, 이는 단백질 결정의 반복 단위를 재현하기에 충분한 정보를 제공한다. 때때로, 이러한 구조는 단백질의 생물학적 활성 형태(예를 들어, 태아 헤모글로빈 돌연변이체, PDB ID: 4MQK)에 비해 추가적인 단백질 사슬을 함유할 것이다. 반대로 일부 프로그램은 생물학적 활성 장치의 모든 체인을 자동으로 로드하지 않을 수 있습니다. 예를 들어, SARS-CoV2 주 프로테아제(PDB ID: 6Y2E)는 키메라X, PyMOL 및 Jmol에서 이 프로토콜에 기재된 명령을 사용하여 반입할 때 생물학적 활성 디머(2개의 단백질 사슬로 구성)의 절반을 적재한다. 명령을 약간 수정하면 생물학적 활성 dimer가 로드되지만 이 고려 사항은 초보 모델링 프로그램 사용자에게 간단하지 않을 수 있습니다. 발생할 수 있는 다른 문제는 활성 사이트 또는 기판 자체를 식별하는 것입니다. 결정적 실험은 최종 구조로 모델링될 수 있는 다양한 분자를 사용하여 수행된다. 예를 들어, 황산염 분자는 활성 부위에 인산염 결합 부위를 결합할 수 있거나 메커니즘과 관련이 없는 다른 영역을 결합할 수 있다. 이 분자는 활성 사이트 자체의 정확한 식별을 모호하게 할 수 있으며 학생에게 메커니즘의 일부임을 제안할 수도 있습니다.
아마도 사용자는 이 절차를 다른 활성/바인딩 사이트에 적용하려고 합니다. 새로운 단백질 활성 부위의 분석을 포함하는 향후 작업에서 이 프로토콜을 적용하려면 사용자는 어떤 바운드 리간드가 기능과 관련이 있는지 확인해야 합니다. 일부 리간드단백질 기능은 단백질 기능과 연관되지 않으며, 대신 실험을 수행하기 위해 사용되는 용매 또는 결정화 조건의 결과이다(예를 들어, 3FGU 모델에 존재하는 칼륨 이온). 키 리간드원본 원고를 참조하여 식별해야 합니다. 연습및, 해당하는 경우, 라인 명령 구문을 이해하면, 사용자는 원하는 모델링 프로그램에 대한 프로토콜을 임의의 효소 활성 부위에 적용하고, 선택한 다른 거대 분자를 모델링할 수 있게 된다.
바운드 기판과 리간드를 식별하고 분석하는 것은 분자 메커니즘 및 구조 기반 약물 설계 노력의 용해성의 중심이며, 이는 직접 습득된 면역 결핍 증후군(AIDS) 및COVID-1947, 49,49,50,51,52를 포함하여 질병에 대한 치료의 개선을주도했습니다. . 개별 분자 시각화 프로그램은 서로 다른 인터페이스와 사용자 경험을 제공하지만, 대부분은 유사한 기능을 제공합니다. 상급 생화학 학생들이 구조 시각화 및 이러한 이미지를 생성하는 도구에 익숙해지는 생체 분자 시각화 문해력의발달을위해 중요하다4,20,53. 이를 통해 학생들은 교과서와 저널 기사에서 2차원 이미지의 해석을 넘어 향후 공중 보건 문제를 해결하고 생화학 적 과정에 대한 이해를 높이기 위해 개발 과학자를 준비시키는 구조 데이터54에서자신의 가설을 보다 쉽게 개발할 수 있습니다.
요약하면, 이 프로토콜은 4개의 선도적인 무료 매크로 분자 모델링 프로그램을 사용하여 활성 사이트 모델링을 자세히 설명합니다. 우리 커뮤니티인 BioMolViz는 생체 분자 모델링에 대한 비소프트웨어 별 접근 방식을 채택합니다. 우리는 특히 프로그램 기능의 비판이나 비교를 피했지만, 각 프로그램을 샘플링하면 한 프로그램에서 매크로 분자 모델링의 특정 측면을 선호하는 것이 다른 프로그램보다 선호할 것입니다. 우리는 독자들에게 이 프로토콜의 생체 분자 시각화 기반 학습 목표와 목표를 자세히 설명하는 BioMolViz Framework를 활용하고 http://biomolviz.org BioMolViz 커뮤니티 웹 사이트를 통해 생체 분자 시각화를 가르치고 학습하기위한 자원을 탐구할 것을 촉구합니다.

분자 세계의 표현을 이해하는 것은 생체 분자 과학1의전문가가 되는 데 매우 중요하며, 이러한 이미지의 해석은 생물학적 기능2를이해하는 데 핵심적이기 때문이다. 거대 분자에 대한 학습자의 소개는 일반적으로 세포막, 세포기관, 거대 분자 등의 2차원 교과서 이미지의 형태로 제공되지만 생물학적 현실은 이러한 구조가 3차원 구조이며 특성에 대한 이해는 3D 모델에서 의미를 시각화하고 추출하는 방법이 필요하다는 것입니다.
이에 따라, 상부 분자생명과학 과목에서 생체분자영상문해력의 개발이 주목받고 있으며,시각화 기술1,3, 4, 5,5,6,7,8,9의 중요성과 평가에 관한 기사를 통해 주목을 받고있다. . 이러한 논문에 대한 반응은 일반적으로 단일 기관에서 한 학기 내에 교실 내정간섭의 수가 증가하고 있으며, 여기서 분자 시각화 프로그램 및 모델은 어려운 개념2,10,11,12,13,14,15를 대상으로 사용됩니다. . 또한, 연구자들은 학생들이 생체 분자 시각화 프로그램 및/또는 모델을 사용하여 특정 주제16,17,18,19에접근하는 방법을 특성화하기 위해 노력해 왔다. 우리 그룹인 BioMolViz는 시각적 문해력의 가장 중요한 주제를 학습 목표와 목표로 세분화하여 이러한 개입을 안내하는 프레임워크를 설명했으며, 우리는 교수진이 시각적 능력22를측정하기 위해 후진 평가 설계에서 프레임워크를 사용하도록 교육하는 워크샵을 이끌고 있습니다.
이 모든 작업의 중심에는 생체 분자 시각화 프로그램을 사용하여 거대 분자의 구조를 조작하는 중요한 기술이 있습니다. 이러한 도구는 다양한 플랫폼을 사용하여 독립적으로 개발되었습니다. 따라서 작업 및 사용에서 다소 고유할 수 있습니다. 이를 위해서는 프로그램별 지침이 필요하며, 사용자가 익숙한 프로그램을 식별하는 것은 지속적인 구현을 용이하게 하는 데 중요합니다.
3D로 구조를 조작하는 기본(모델 회전, 선택 및 변경)을 넘어, 주요 목표는 단백질의 활성 부위를 모델링하는 것입니다. 이 과정을 통해 학습자는 BioMolViz 프레임워크에 의해 설명된 세 가지 가장 중요한 테마에서 분자 상호 작용, 리간드/수정 및 구조 기능 관계20,21로이해를 개발할 수 있습니다.
바이오 분자 시각화를 위한 프로그램의 네 가지 인기 선택은 다음과 같습니다: Jmol/JSmol23,iCn3D24,PyMOL25,및 UCSF Chimera26,27. 우리는 키메라에 새로운 사람들이 UCSF ChimeraX를 사용하는 것이 좋습니다, 키메라 분자 시각화 프로그램의 다음 세대, 이는 프로그램의 현재 지원 버전입니다.
본 프로토콜에서는, 당사는 이 네 가지 프로그램을 각각 사용하여 인간 글루코키나아제의 활성 부위를 바운드 기판 아날로그 복합체(PDB ID: 3FGU)로 모델링하고, 특정 결합상호작용(28)을설명하기 위한 측정을 표시하는 방법을 보여 준다. 이 모델은 효소의 촉매 복합체를 나타낸다. 촉매 전 상태에서 활성 부위를 캡처하기 위해 ATP의 비가수분해성 아날로그는 글루코키나아제 활성 부위에 결합되었다. 이 인포아미오포산-아데닐레이트 에스테르(ANP)는 이 위치에서 일반적인 인-산소 연계 대신 인-질소 결합을 함유하고 있다. 활성 부위에는 포도당(모델의 BCG표시) 및 마그네슘(MG 표시)도 포함되어 있습니다. 또한, 결정화 용매에 사용되는 염화칼륨으로 인한 구조에 칼륨 이온(K)이 있다. 이 이온은 생물학적 기능에 중요하지 않으며 활성 부위 외부에 있습니다.
<img alt="ATP와 ANP의 분자 구조, 화학적 다이어그램, 뉴클레오티드 삼인산 비교." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig01.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 1"> 그림 1: ATP/ANP 구조. 인포아미오포닉산-아데닐레이트 에스테르(ANP)에 비해 아데노신 트리호스산염(ATP) 구조. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
이 프로토콜은 기판 아날로그 복합체의 바운드 리간드의 선택과 소수성 및 반 데르 발스 상호 작용을 포함하여 관련 분자 상호 작용을 할 수 있는 아미노산 및 물 분자를 포착하는 결합된 복합체의 5Å 내의 활성 부위 잔류물의 식별을 보여줍니다.
디스플레이는 처음에 만화 표현에서 단백질의 대부분을 보여주기 위해 조작되며, 활성 부위 아미노산 잔류물이 단백질의 관련 원자를 표시하고 분자 상호 작용을 강조하기 위해 스틱 표현의 활성 부위 아미노산 잔기와 함께 조작된다. 각 프로그램에 대한 프로토콜의 3단계 후에, 이러한 표현이 적용되고 단백질의 보기는 프로그램 전반에 걸쳐유사하다(도 2). 프로토콜의 끝에서, 단백질 만화는 보기를 단순화하고 활성 사이트에 초점을 숨기기 위해 숨겨져 있습니다.
<img alt="단백질 구조 시각화, ChimeraX, iCn3D, Jmol, PyMOL을 사용한 3D 모델. 분석을 위한 다이어그램입니다." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig02.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 2"> 그림 2: 프로그램 간 구조 비교. 표현 조정 단계(각 프로토콜의 2단계 또는 3단계)에 따라 각 프로그램에서 3FGU의 구조를 비교합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
CPK 착색은 활성 부위 아미노산 및 바운드리간드(29,30)에적용된다. 이 착색 구성표는 라인, 스틱, 볼 및 스틱 및 공간 충전 표현에 표시된 분자 모델에서 다양한 화학 원소의 원자를 구별합니다. 수소는 하얗고, 질소는 청색이고, 산소는 적색이고, 황은 황이 노랗고, 인은 CPK 착색구성표에서 주황색이다. 전통적으로 블랙은 탄소에 사용되지만 현대식에서는 탄소 색소가 다를 수 있습니다.
수소 원자는 결정 구조에서 볼 수 없지만 이러한 각 프로그램은 자신의 위치를 예측할 수 있습니다. 큰 거대 분자 구조에 수소 원자를 추가하면 시야가 모호해져 이 프로토콜에 표시되지 않습니다. 이에 따라, 수소 결합은 이들 구조에서 2개의 이종원자(예를 들어 산소에서 산소, 질소에 산소)의 중심에서 측정함으로써 도시될 것이다.
프로그램 개요 다운로드 가능한 그래픽 사용자 인터페이스(GUIs): PyMOL (버전 2.4.1), 키메라X (버전 1.2.5), Jmol (버전 1.8.0_301)은 GUI 기반 분자 모델링 도구입니다. 이 세 가지 인터페이스는 입력 입력 된 코드에 명령줄을 갖추고 있습니다. GUI의 메뉴와 단추를 통해 동일한 기능의 대부분을 사용할 수 있습니다. 이러한 프로그램의 명령줄의 일반적인 기능은 사용자가 키보드의 위쪽 및 아래쪽 화살표 키를 사용하여 이전 명령을 로드하고 다시 실행할 수 있다는 것입니다.
웹 기반 GUIs: iCn3D(I-see-in-3D)는 별도의 응용 프로그램을 설치할 필요 없이 웹에서 3차원 거대 분자 구조 및 화학 물질을 대화형으로 볼 수 있는 웹GL 기반 뷰어입니다. 정식 웹 버전에는 편집 가능한 명령 로그를 특징으로 하지만 명령줄을 사용하지 않습니다. JSmol은 웹 사이트 또는 웹 브라우저 창에서 사용하기 위한 JavaScript 또는 HTML5 버전의 Jmol이며 Jmol과 매우 유사합니다. JSmol애니메이션을 포함한 온라인 자습서를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
프로테오피디아(31,32,Jmol33)의퍼스트아이드, 밀워키 바이오분자 모델링 센터의 JSmol 웹 인터페이스(JUDE)는 이러한 Jmol 기반 온라인 디자인환경(34)의예입니다. Proteopedia 위키는 사용자가 거대 분자 구조를 모델링하고 웹 사이트35내에서 이러한 모델을 특징으로하는 페이지를 만들 수있는 교육 도구입니다. JSmol을 사용하여 제작된 프로테오피디아 씬 작성 도구는 Jmol GUI에서 사용할 수 없는 추가 기능과 GUI를 통합합니다.
Jmol 및 iCn3D는 자바 프로그래밍 언어를 기반으로 합니다. JSmol은 Java 또는 HTML5를 사용하며 PyMOL 및 ChimeraX는 파이썬 프로그래밍 언어를 기반으로 합니다. 이들 각 프로그램은 4자리 영숫자 PDB ID36,37로RCSB 단백질 데이터 뱅크에서 다운로드할 수 있는 단백질 데이터 뱅크 파일을 로드합니다. 가장 일반적인 파일 유형은 .cif 확장을 포함하는 .pdb 확장 및 결정 정보 파일(CIF 또는 mmCIF)을 포함하는 단백질 데이터 뱅크(PDB) 파일입니다. CIF는 PDB를 단백질 데이터 뱅크의 기본 파일 유형으로 대체했지만 두 파일 형식모두 이러한 프로그램에서 작동합니다. PDB 파일이 아닌 CIF를 사용할 때 시퀀스/구조가 표시되는 방식에 약간의 차이가 있을 수 있습니다. 그러나 파일이 유사하게 작동하며 차이점은 여기에서 자세히 다루지 않습니다. 분자 모델링 데이터베이스(MMDB)는 국립 생명공학 정보 센터(NCBI)의 산물이며, 범주형 정보가 연관된 PDB 구조의 하위 집합(예를 들어, 생물학적 특징, 보존된 단백질 도메인)38이다. NCBI의 제품인 iCn3D는 MMDB 데이터를 포함하는 PDB 파일을 로드할 수 있습니다.
모델을 보려면 사용자는 구조(예: https://www.rcsb.org/structure/3FGU)에대한 전용 단백질 데이터 뱅크 페이지에서 원하는 파일을 다운로드한 다음 프로그램의 드롭다운 파일 메뉴를 사용하여 구조를 열 수 있습니다. 모든 프로그램은 인터페이스를 통해 구조 파일을 직접 로드할 수 있으며 해당 메서드는 프로토콜 내에서 자세히 설명되어 있습니다.
키메라X, Jmol 및 PyMOL GUIs에는 각각 모서리를 드래그하여 크기를 조정할 수 있는 콘솔창이 하나 이상 포함되어 있습니다. iCn3D 및 JSmol은 웹 브라우저에 완전히 포함되어 있습니다. iCn3D를 사용하는 경우 사용자는 화면 크기와 해상도에 따라 모든 메뉴 항목을 표시하려면 팝업 창 내에서 스크롤해야 할 수 있습니다.
여기에 자세히 설명된 프로토콜은 각 프로그램을 사용하여 효소의 활성 부위를 표시하는 간단한 방법을 제공한다. 각 프로그램에서 단계를 실행하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 예를 들어 ChimeraX에서는 드롭다운 메뉴, 맨 위 도구 모음 또는 명령줄을 사용하여 동일한 작업을 실행할 수 있습니다. 특정 프로그램을 자세히학습하는 데 관심이 있는 사용자는39,40,41, 42,43,44, 45,46,46로제공되는 온라인 자습서, 매뉴얼 및 위키를 탐색하는 것이 좋습니다.
이러한 프로그램에 대한 기존 매뉴얼 및 자습서에서는 이 프로토콜의 항목을 개별 작업으로 표시합니다. 활성 사이트를 표시하려면 사용자는 다양한 설명서 및 자습서에서 필요한 작업을 합성해야 합니다. 이 원고는 분자 상호 작용으로 레이블이 부착된 활성 사이트를 모델링하기 위한 선형 프로토콜을 제시하여 사용 가능한 기존 자습서를 보강하여 사용자에게 다른 모델 및 프로그램에 적용할 수 있는 활성 사이트 모델링에 대한 논리를 제공합니다.
<img alt="단백질 구조 뷰어, 도구 모음, 분자 모델링을 위한 명령줄을 표시하는 ChimeraX 인터페이스." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig03.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 3"> 그림 3: 키메라X GUI. 키메라X GUI는 드롭다운 메뉴, 도구 모음, 구조 뷰어 및 명령줄레이블이 지정된 인터페이스입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="정적 평형; 인간 글루코키나제 촉매 복합체의 다이어그램; 구조 뷰어; 시퀀스 팝업." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig04.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 4"> 그림 4: iCn3D GUI. iCn3D GUI 인터페이스드롭다운 메뉴, 도구 모음, 구조 뷰어, 명령 로그, 세트 팝업 및 시퀀스 및 주석 팝업 메뉴레이블이 지정되어 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig04large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="명령 입력 및 분석을 위한 Jmol, 도구 모음 및 콘솔을 사용한 분자 구조 시각화." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig05.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 5"> 그림 5: Jmol GUI. 삭제 메뉴, 도구 모음, 구조 뷰어, 팝업 메뉴 및 레이블이 표시된 콘솔/명령줄이 있는 Jmol GUI 인터페이스입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig05large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="단백질 구조, 명령줄 및 대화형 컨트롤을 보여주는 PyMOL 소프트웨어 인터페이스." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 그림 6: 피몰 GUI. 삭제 메뉴, 구조 뷰어, 이름/개체 패널, 마우스 컨트롤 메뉴 및 레이블이 표시된 명령줄이 있는 PyMOL GUI 인터페이스입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig06large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

<table><tbody><tr><td>ChimeraX (버전 1.2.5) https://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax/</td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td>컴퓨터</td><td></td><td></td><td>모든</td></tr><tr><td>iCn3D (웹 기반 전용: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/icn3d/full.html)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Java (for Jmol) https://java.com/en/download/</td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Jmol (버전 1.8.0_301) http://jmol.sourceforge.net/</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>마우스 (선택 사항)</td><td></td><td></td> <td>모든</td></tr><tr><td>PyMOL (버전 2.4.1 - 교육) : https://pymol.org/2 교육용 전용 버전 : https://pymol.org/edu/?q=educational</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

분자 시각화 프리웨어를 사용하여 효소 활성 사이트 모델링

Modeling an Enzyme Active Site using Molecular Visualization Freeware

생물 분자 시각화 기술은 구조 기능 관계 및 분자 상호 작용과 같은 생물 과학의 주요 개념을 이해하는 데 가장 중요합니다. 다양한 프로그램을 통해 학습자가 3D 구조를 조작할 수 있으며, 생체 분자 모델링은 적극적인 학습을 촉진하고, 계산 기술을 구축하고, 2차원 교과서 이미지와 삶의 3차원 사이의 격차를 해소합니다. 이 분야에서 중요한 기술은 단백질 활성 부위를 모델링하여 결합 상호 작용을 보여주는 방식으로 작은 분자 또는 리간드와 상호 작용할 수 있는 거대 분자의 일부를 표시하는 것입니다. 이 프로토콜에서는 iCn3D, Jmol/JSmol, PyMOL 및 UCSF ChimeraX의 4가지 자유롭게 사용할 수 있는 매크로 분자 모델링 프로그램을 사용하여 이 프로세스를 설명합니다. 이 가이드는 특정 프로그램의 기초를 배우고자 하는 학생뿐만 아니라 생체 분자 모델링을 교과 과정에 통합하는 강사를 위한 것입니다. 이 프로토콜을 사용하면 사용자가 특정 시각화 프로그램을 사용하여 활성 사이트를 모델링하거나 사용 가능한 몇 가지 무료 프로그램을 샘플링할 수 있습니다. 이 프로토콜을 위해 선택된 모형은 글리코리시스의 첫번째 단계를 촉매하는 효소 헥소키나아제의 등등형인 인간 글루코키나제입니다. 효소는 기질 중 하나뿐만 아니라 비 반응성 기판 아날로그에 묶여 있어 사용자가 촉매 복합체에서 상호 작용을 분석할 수 있습니다.

각 프로그램에 대해 성공적으로 실행된 프로토콜은 활성 부위 잔류물 및 리간드가 막대기로 표시되고, 단백질 만화가 숨겨져 있고, 리간드가 대조적인 색 구성표로 표시되는 분자 모델을 활성 부위에 확대하게 됩니다. 상호 작용하는 아미노산 잔류물은 그들의 식별자와 표지되어야 하며, 수소 결합 및 이온 상호 작용은 선과 함께 표시됩니다. 이러한 피처의 존재는 모델의 육안 검사에 의해 결정될 수 있다.
이 검사를 용이하게 하고 사용자가 프로토콜의 단계를 올바르게 수행했는지 여부를 확인할 수 있도록 각 단계에 따라 구조이미지를 표시하는 애니메이션 피규어를 제공했습니다. 키메라X, iCn3D, Jmol 및 PyMOL의 경우, 이는 각각 그림 7-10에설명되어 있습니다.
그림 7: 키메라X 프로토콜 출력. 키메라X 프로토콜의 1.1-1.8 단계를 설명하는 애니메이션 그림입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/Figure%207.mp4" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
그림 8: iCn3D 프로토콜 출력. iCn3D 프로토콜의 2.1-2.8 단계를 설명하는 애니메이션 그림입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/Figure%208.mp4" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
그림 9: Jmol 프로토콜 출력. Jmol 프로토콜의 3.1-3.8 단계를 설명하는 애니메이션 그림입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/Figure%209.mp4" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
그림 10: PyMOL 프로토콜 출력. PyMOL 프로토콜의 4.1-4.8 단계를 설명하는 애니메이션 그림입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/Figure%2010.mp4" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
이러한 프로토콜의 결과에 영향을 줄 수 있는 가장 일반적인 오류는 잘못된 선택이며, 그 결과 구조의 일부가 원치 않는 렌더링에 표시됩니다. 이는 일반적으로 구조 자체 또는 디스플레이 메뉴 단추 중 하나에서 잘못 클릭한 결과입니다. 최적이 아닌 결과의 예는 스틱으로 표시된 활성 사이트 외부의 잔여물을 포함하는 모델입니다. 사용자는 스틱으로 표시된 잔류물을 시각적으로 검사하고 활성 사이트 리간드의 근접성을 확인하여 이 오류가 발생했는지 분석하기 시작할 수 있습니다. 활성 부위 리간드의 5Å 내에 표시된 잔류물이 있는지 여부를 평가하는 고급 방법은 각 프로그램에 내장된 측정 도구를 사용하여 근처의 리간드와 활성 부위 잔류물 사이의 거리를 측정하는 것이다. 측정 도구는 이 원고의 범위를 벗어납니다. 그러나 관심 있는 사용자는 이러한 유형의 분석을 자세히 설명하는 많은 온라인 자습서를 탐색하는 것이 좋습니다.
PyMOL의 이름/개체 패널을 잘못 클릭하면 이 프로토콜의 최적 실행에 대한 특정 예제가 있습니다. 이 오류는 도 11에도시된 바와 같이 이 표현을 사용하여 활성 부위만 표시하는 대신 전체 단백질을 막대기로 표시합니다.
<img alt="단백질 구조도; 분자 상호 작용을 시각화하는 복잡한 단백질 접힘의 3D 모델." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig11.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 11"> 그림 11: 부정적인 결과. 부정적인 결과의 예입니다. PyMOL에서 전체 만화를 잘못 선택하고 스틱을 표시합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig11large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
문제를 해결하려면 사용자는 전체 모델의 스틱(이름/개체 패널에 3FGU로 레이블이 지정된)을 숨긴 다음 PyMOL의 숨기기 및 표시 단추/명령을 사용하여 "활성"이라는 선택 영역에 대해서만 스틱 표현을 표시해야 합니다. 사용자가 모델의 여러 부분에 적합한 선택을 만들고 효과적으로 표시하고 숨길 수 있게 되면 이러한 유형의 오류에서 모델을 복구하는 것은 비교적 간단합니다. 프로토콜을 다시 시작하고 단계를 더 시간 동안 작업하는 것은 유혹적입니다. 그러나 사용자가 "스크립트 를 끄고"모델을 실험하는 것을 두려워하지 않는 것이 좋습니다. 우리의 경험에서, 디스플레이 오류를 통해 작업 모델링 프로그램을 이해하는 진행을 용이하게.
각 프로그램에 대해 성공적으로 실행된 프로토콜에서 최종 출력의 나란히 표시가 그림 12에표시됩니다. 뷰는 사용자가 다른 프로그램에서 만든 모델의 모양을 비교할 수 있도록 유사하게 지향됩니다.
<img alt="분자 구조 및 수소 결합 분석을 통한 단백질-리간드 상호 작용 다이어그램." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63170/63170fig12.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 12"> 그림 12: 프로그램 간 최종 구조 비교. 프로토콜 끝에 있는 각 활성 사이트 렌더링의 구조를 비교합니다. A: 키메라X, B: iCn3D, C: Jmol, D: PyMOL. PyMOL 활성 사이트 라벨에는 모든 활성 사이트 잔기와 리간드가 포함되어 있습니다. 다른 출력에는 수소 접합 측체인만 라벨이 부착되어 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63170/63170fig12large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

생체 분자 모델링의 핵심 기술은 단백질에 활성 부위를 표시하고 표시하는 것입니다. 이 기술은 매크로 분자 시각화를위한 네 가지 인기있는 무료 프로그램을 사용하여 입증된다 : iCn3D, Jmol, PyMOL, UCSF ChimeraX.

Biomolecular visualization skills are paramount to understanding key concepts in the biological sciences, such as structure-function relationships and ...

생물학적 거대 분자를 시각화하는 것은 생물 과학 분야의 학생과 전문가에게 중요한 기술입니다. 본 프로토콜에서, 분자 모델링을 위한 4개의 자유롭게 이용 가능한 프로그램을 사용하여 효소 글루코키나아제의 활성 부위를 모델링하는 방법을 시연한다. 이 자습서에서는 바운드 리간드를 선택하고 리간드를 사용하여 5개의 협스트롬 내에서 아미노산과 물 분자를 표시하는 것을 포함하는 각 프로그램에 대한 프로토콜의 여러 단계를 강조합니다.이 원고의 지원 정보에는 각 프로그램에 대한 전용 비디오가 포함되어 있으며, 이 비디오에는 추가 설명과 함께 프로토콜의 모든 단계를 자세히 설명합니다. 구조는 PDBID를 모델링합니다. 3FGU는 효소 글루코키나아제의 촉매 복합체를 나타낸다.효소 활성 부위는 그 기질의 두 개에 바인딩, 베타-D-포도당, 식별자 BGC와 마그네슘 이온을 부여 한, MG. 또한, 이러한 기질 유사체, 인산 아데냐산, 아데닐레이트 에스테르, ANP는 글루코키나제 활성 부위에 결합된다. 아데노신 트리호스페이트의 이 비가수분해성 유사체인 ATP는 활성 부위 복합성 사전 촉매를 포착하는 인산화 반응이 발생하는 것을 방지합니다. UCSF ChimeraX 모델링 프로그램의 인터페이스에는 드롭다운 메뉴, 도구 모음, 구조 뷰어 및 명령줄이 포함되어 있습니다.1.4단계로 프로토콜을 시작하여 5개의 협착성 내에서 잔여물을 선택하여 활성 사이트를 정의합니다. 리간드 프레스 컨트롤 시프트를 선택하고 세 리간드의 각 원자 또는 결합을 클릭합니다. 세 리간드가 모두 녹색 광선으로 강조 표시될 때까지 위로 화살표 키를 누릅니다.드롭다운 메뉴를 클릭하여 향후 사용을 위한 선택을 정의하고, 선택기 정의, 선택 이름에 대한 리간드 를 입력하고 확인을 클릭합니다. 다시 선택 메뉴를 사용하여 영역을 선택합니다. 잔여물을 전환하고 상단 상자가 선택되었는지 확인합니다.확인을 클릭합니다. 이 리간드의 다섯 개회스트롬 내에서 만화의 일부가 강조 표시됩니다. 사이드 체인을 막대기로 표시하고 활성 부위 물 분자를 표시하려면 작업 원자 결합 메뉴를 사용하여 이를 표시합니다.또는 여기에이 버튼으로 그들을 전환. 선택을 지우려면 빈 공간의 어느 곳을 클릭합니다. 이 프로토콜의 최종 결과는 대조적인 방법으로 착색된 막대기로 표시된 단백질및 리간드의 활성 부위를 가진 모델이되어야 합니다.주요 극성 바인딩 상호 작용은 점선과 함께 표시되고 연락처를 만드는 잔류물의 일부가 레이블이 지정됩니다. iCn3D 인터페이스에는 드롭다운 메뉴, 구조 뷰어 및 명령 로그가 포함되어 있습니다. 이 보기는 사용자가 필요한 명령을 실행할 때 나타나는 선택 집합 및 시퀀스 및 주석 팝업 메뉴를 보여 줍니다.2.4단계에서 프로토콜을 시작하여 5개의 협착성 내에서 잔여물을 선택하여 활성 사이트를 정의합니다. 리간드를 선택하려면 선택 된 드롭다운 메뉴를 사용하고 3D에서 선택을 클릭하여 잔류물을 검사합니다. PC의 alt 버튼 또는 Mac의 옵션 버튼을 누르고 첫 번째 리간드를 클릭합니다.그런 다음 컨트롤을 누르고 나머지 두 리간을 클릭하여 선택 영역에 추가합니다. 드롭다운 메뉴를 사용하여 선택 영역을 저장하고, 선택 항목을 클릭하고, 선택 영역을 저장하고, 이름을 입력하고 저장을 클릭합니다. 이제 선택한 세트 팝업 메뉴가 세 리간드를 선택하여 표시됩니다.이제 리간드의 5개 앙스트롬 내에서 잔류물을 선택합니다. 멀리서 드롭다운 메뉴 선택(드롭다운 메뉴)을 사용합니다. 나타나는 팝업 메뉴에서 반경이 있는 두 번째 항목 창을 블록에 입력하여 반지름이 있는 창을 5개의 옹스트로 변경하고 디스플레이를 클릭합니다.그런 다음 오른쪽 상단 모서리에 있는 X를 클릭하여 창을 닫습니다. 드롭다운 메뉴를 클릭하여 5개의 angstrom 활성 사이트를 저장하고 선택 저장을 선택하고 키보드를 사용하여 이름을 입력합니다. 그런 다음 저장을 클릭합니다.이제 두 세트를 결합하는 새 선택 항목을 만듭니다. 이러한 설정 팝업 메뉴에서 결합할 수 있습니다. PC에서 컨트롤은 두 세트를 클릭하거나 Mac 명령 클릭을 클릭합니다.다시 드롭다운 메뉴를 클릭하고 선택 저장을 선택하고 새 이름을 입력한 다음 저장을 클릭합니다. 수소 결합과 같은 상호 작용을 표시하려면 분석 메뉴를 사용하고 상호 작용을 선택합니다. 우리는 수소 결합과 소금 다리에만 관심이 있을 것입니다.그래서 우리는 이들의 나머지 부분을 확인 취소 합니다. 우리는 세 개의 리간드를 선택합니다. 그리고 두 번째 세트의 경우, 5 개의 협질 내의 잔류물.3D 디스플레이 상호 작용을 클릭하고 창을 닫습니다. 이것은 상호 작용하는 잔류물의 일부를 보여줍니다하지만 전체 다섯 angstrom 활성 사이트를 표시하지 않습니다. 선택 세트 메뉴를 다시 사용할 것을 표시합니다.5 개의 angstrom을 클릭한 다음 드롭다운 메뉴에서 스타일 사이드 체인, 스틱을 클릭합니다. CPK 색칠을 적용하려면 색상 드롭다운 메뉴를 클릭하고 원자를 클릭합니다. 프로토콜의 최종 결과는 대조적인 방법으로 착색된 막대기로 표시된 단백질의 활성 부위와 리간드와 같이 보이는 모델이어야 한다.중요한 바인딩 상호 작용은 점선과 함께 표시되며 프로토콜 중에 작성된 선택 중 하나 내에서 모든 잔류물이 레이블이 지정됩니다. Jmol 인터페이스에는 드롭다운 메뉴, 도구 모음, 구조 뷰어, 팝업 메뉴 및 명령줄이 포함된 Jmol 콘솔이 포함되어 있습니다. 3.4단계에서 Jmol 프로토콜을 시작하여 5개의 협착성 내에서 잔류물을 선택하여 활성 사이트를 정의합니다.Jmol 콘솔은 5개의 협질 내에서 잔류물을 선택하는 가장 좋은 방법입니다. 이 명령을 입력하여 세 리간드의 5개 옹스트롬 내에서 잔류물을 선택합니다. 193 원자가 선택되지만 이들은 전체 아미노산 잔류물을 나타내지 않습니다.선택하려면 입력된 명령을 사용하고 내부(그룹, 선택됨)를 선택하고 enter를 누릅니다. 추가 선택 후광이 나타납니다. 이러한 잔류물을 막대기로 표시하려면 오른쪽 단추를 클릭하여 팝업 메뉴를 만들고 스타일, 구성표 위로 마우스를 가져가서 스틱을 클릭합니다.여기에 여전히 빈 후광이 있습니다. 이들은 활성 부위의 물 분자입니다. 물 분자만 선택하려면 이 명령을 다시 실행한 다음 수정할 수 있습니다.콘솔 내에서 클릭한 다음 위로 화살표 키를 사용하여 해당 명령을 찾은 다음 입력을 클릭하여 다시 실행합니다. 물 분자를 원자로 표시하기 위해 리간드와 단백질의 선택을 제거하고자 합니다. 이렇게 하려면 두 명령을 입력합니다.우리 리간은 이종조 그룹으로 간주되지만 물은 또한 하나로 간주됩니다. 따라서 이 명령 내에서는 물을 제거하지 않는다는 것을 정의해야 합니다. 이제 물 분자만 선택됩니다.드롭다운 디스플레이 메뉴를 클릭하고 원자 위로 마우스를 가져가고 반 데르 발스 반경20%를 클릭합니다. 녹색 마그네슘 이온은 여전히 막대기로 표시됩니다. 더 일반적으로 이온은 구체로 표시됩니다.Jmol 콘솔을 클릭한 다음 MG 를 선택한 다음 공간 채우기 50%를 입력하면 체인 내부의 리간드가 동일하게 색상이 지정됩니다. 서로 구별하려면 리간드를 다시 색칠하는 것이 유용합니다. 콘솔에서 Jmol 보충 비디오에서 자세히 설명한 치트 시트에서 붙여 넣은 멀티 라인 명령을 실행합니다.이 프로토콜의 결과는 막대기로 표시된 단백질의 활성 부위와 같이 보이는 모델이어야 한다. 그리고 리간드는 우리에게 부드러운 색상 구성표에 스틱을 보여 주었다. 노란색 선은 바인딩 상호 작용과 개별 잔류물이 원하는 대로 레이블이 지정되었음을 나타냅니다.PyMOL 인터페이스에는 드롭다운 메뉴, 구조 뷰어, 이름 개체 패널 및 마우스 컨트롤 메뉴가 포함되어 있습니다. 주 명령줄도 이 그림에 레이블이 지정되어 있습니다. 4.4단계에서 원시 프로토콜을 시작하여 5개의 협착성 내에서 잔여물을 선택하여 활성 사이트를 정의합니다.리간드를 선택하려면 각 리간드를 클릭합니다. A 버튼을 클릭하여 이름을 바꿀 수 있는 새 선택 항목이 나타납니다. 키보드를 사용하여 문자 셀을 삭제하고 그 대신 리간을 입력합니다.enter기. 이 선택을 사용하여 주변 영역을 정의할 수 있습니다. A 버튼을 클릭하여 시작하고 메뉴 항목 중복을 선택합니다.이 새 선택 항목에서 sel01은 A를 클릭하고 메뉴 항목의 이름 바꾸기를 선택합니다. 키보드를 사용하여 기존 문자를 삭제하고 활성 을 입력합니다. 이것은 여전히 세 개의 리간드를 선택하므로 A 작업 버튼을 사용하여 다시 수정해야합니다.버튼을 클릭하고 선택 항목을 5개의 옹스트롬으로 선택합니다. 이제 우리는 5개의 협질 내에서 리간드와 잔류물을 캡처했습니다. S 버튼의 S는 쇼를 의미합니다.단백질을 다른 방법으로 표시하려면 이 쪽을 클릭하십시오. 이 감초를 막대기로 표시합니다. 빈 공간을 클릭하여 선택을 취소합니다.이것은 5 개의 협질 내의 아미노산을 캡처하지만 물은 아닙니다. 우리는 다시 선택을 복제하고 이제 물만 선택하도록 수정 할 수 있습니다. 작업A 버튼에서 중복됩니다.선택 2가 나타납니다. 활성 물로 이름을 바꿉니다. 이번에는 A 버튼을 사용하여 선택 영역 주변의 원자를 선택하기 위해 수정합니다.4개의 협심항질 내의 원자. 이것은 물뿐만 아니라 측면 체인의 일부 원자를 선택했습니다. 이 작업을 더 수정하려면 A 버튼을 사용하여 용매를 수정하고 제한합니다.이제 우리는 물 분자가 켜진 것을 볼 수 있습니다. 다시 A 버튼에서 사전 설정을 적용할 수 있습니다. 사전 설정, 공 및 스틱을 선택하고 이제 물 분자가 구체로 표시됩니다.프로토콜의 최종 결과는 대조적인 방식으로 색칠된 막대기로 표시된 리간드의 활성 사이트와 함께 다음과 같은 모델입니다. 노란색 대시 선은 극별 바인딩 상호 작용을 표시하고 개별 잔류물은 이름 개체 패널에서 만든 선택을 사용하여 레이블이 지정됩니다. 프로토콜 실행의 오류로 인해 최적이 아닌 결과가 발생할 수 있습니다.예를 들어, 전체 단백질이 막대기로 표시됩니다. 문제를 해결하려면 먼저 전체 구조에 대한 스틱 표현을 숨겨야 합니다. 그런 다음 S 버튼을 사용하여 활성이라고 하는 개체에 대해서만 스틱 표현을 다시 표시합니다.여기서 각 프로그램을 사용하여 생성된 모델이 나란히 표시됩니다. 효소의 디스플레이에는 차이가 있지만, 동일한 주요 특징과 상호 작용은 4가지 모델 각각에서 볼 수 있습니다. 명령줄이 포함된 프로그램 중 하나를 마스터하는 데 관심이 있는 사용자는 입력된 명령을 적용하고 수정하는 방법을 배우고자 합니다.Jmol 프로토콜에서 언급했듯이 유용한 도구는 명령 치트 시트입니다. 참조하는 데 자주 사용되는 코드를 포함하는 일반 텍스트 파일입니다. 고급 사용자가 되려면 프로토콜의 어느 부분을 조정하고 수정할 수 있는지 이해하는 것이 유용합니다.이러한 프로토콜은 이러한 프로토콜을 적용하여 관심 있는 효소 활성 부위를 모델링할 수 있습니다.

modeling-an-enzyme-active-site-using-molecular-visualization-freeware

Research

연구

JoVE Journal

Biochemistry

생화학

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막 효소 용매 역학에 의해 유도 탈피 엔트 속도 가속

Bio3D-web을 이용한 단백질 서열 - 구조 - 역학 관계에 대한 온라인 조사 프로토콜을 제시한다.

Bio3D-web을 이용한 단백질 염기 서열 구조 역학 관계 조사

이 프로토콜에는 저해상도 ab initio 모델 및 대비 세제의 일치와 작은 각 중성자 뿌리기를 사용 하 여 솔루션에서 세제 solubilized 막 단백질의 구조 정보를 가져오는 방법을 보여 줍니다.

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