Name: Een protocol voor Computer-Based Protein Structure en functie Voorspelling (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-11-03T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 41 s
Description: Leer het I-TASSER-protocol voor voorspelling van 3D-eiwitstructuren en functies uit aminozuursequenties. Deze computationele methode combineert threading, fragmentassemblage en machine learning voor nauwkeurige modellen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Het project wordt gedeeltelijk ondersteund door de Alfred P. Sloan Foundation, NSF Career Award (DBI 1.027.394) en het Nationale Instituut van Algemene Medische Wetenschappen (GM083107, GM084222).

<ol><li>Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Template-based+modeling+and+free+modeling+by+I-TASSER+in+CASP7%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%22%5BJournal%5D)">Template-based modeling and free modeling by I-TASSER in CASP7.</a> Proteins. 69, 108-117 (2007).</li>
<li>Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((I-TASSER%3A+Fully+automated+protein+structure+prediction+in+CASP8%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%22%5BJournal%5D)">I-TASSER: Fully automated protein structure prediction in CASP8.</a> Proteins. 77, 100-113 (2009).</li>
<li>Wu, S., Skolnick, J., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ab+initio+modeling+of+small+proteins+by+iterative+TASSER+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Biol%22%5BJournal%5D)">Ab initio modeling of small proteins by iterative TASSER simulations.</a> BMC Biol. 5, 17-17 (2007).</li>
<li>Roy, A., Kucukural, A., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((I-TASSER%3A+a+unified+platform+for+automated+protein+structure+and+function+prediction%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">I-TASSER: a unified platform for automated protein structure and function prediction.</a> Nat Protoc. 5, 725-738 (2010).</li>
<li>Wu, S., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((LOMETS%3A+a+local+meta-threading-server+for+protein+structure+prediction%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">LOMETS: a local meta-threading-server for protein structure prediction.</a> Nucleic Acids Res. 35, 3375-3382 (2007).</li>
<li>Zhang, Y., Kihara, D., Skolnick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+energy+landscape+flattening%3A+parallel+hyperbolic+Monte+Carlo+sampling+of+protein+folding%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%22%5BJournal%5D)">Local energy landscape flattening: parallel hyperbolic Monte Carlo sampling of protein folding.</a> Proteins. 48, 192-201 (2002).</li>
<li>Li, Y., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((REMO%3A+A+new+protocol+to+refine+full+atomic+protein+models+from+C-alpha+traces+by+optimizing+hydrogen-bonding+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%22%5BJournal%5D)">REMO: A new protocol to refine full atomic protein models from C-alpha traces by optimizing hydrogen-bonding networks.</a> Proteins. 76, 665-676 (2009).</li>
<li>Zhang, J., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+protein+structure+refinement+using+fragment+guided+molecular+dynamics+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">High-resolution protein structure refinement using fragment guided molecular dynamics simulations.</a> , (2011).</li>
<li>Roy, A., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((COFACTOR%3A+protein-ligand+binding+site+predictions+by+global+structure+similarity+match+and+local+geometry+refinement%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">COFACTOR: protein-ligand binding site predictions by global structure similarity match and local geometry refinement.</a> , Forthcoming (2011).</li>
<li>Zhang, Y., Hubner, I. A., Arakaki, A. K., Shakhnovich, E., Skolnick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+origin+and+highly+likely+completeness+of+single-domain+protein+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.+S.+A%22%5BJournal%5D)">On the origin and highly likely completeness of single-domain protein structures.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103, 2605-2610 (2006).</li>
<li>Zhang, Y., Kolinski, A., Skolnick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TOUCHSTONE+II%3A+a+new+approach+to+ab+initio+protein+structure+prediction%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">TOUCHSTONE II: a new approach to ab initio protein structure prediction.</a> Biophys. J. 85, 1145-1164 (2003).</li>
<li>Wu, S., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comprehensive+assessment+of+sequence-based+and+template-based+methods+for+protein+contact+prediction%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">A comprehensive assessment of sequence-based and template-based methods for protein contact prediction.</a> Bioinformatics. 24, 924-931 (2008).</li>
<li>Zhang, Y., Skolnick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SPICKER%3A+a+clustering+approach+to+identify+near-native+protein+folds%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comput.+Chem%22%5BJournal%5D)">SPICKER: a clustering approach to identify near-native protein folds.</a> J. Comput. Chem. 25, 865-871 (2004).</li>
<li>Zhang, J., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+protein+structure+refinement+using+fragment+guided+molecular+dynamics+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">High-resolution protein structure refinement using fragment guided molecular dynamics simulations.</a> , Forthcoming (2010).</li>
<li>Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((I-TASSER+server+for+protein+3D+structure+prediction%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">I-TASSER server for protein 3D structure prediction.</a> BMC Bioinformatics. 9, 40-40 (2008).</li>
<li>Xu, J., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+significant+is+a+protein+structure+similarity+with+TM-score+%3D+0.5%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">How significant is a protein structure similarity with TM-score = 0.5?</a> Bioinformatics. 26, 889-895 (2010).</li>
<li>Zhang, Y., Skolnick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scoring+function+for+automated+assessment+of+protein+structure+template+quality%5BTitle%5D)+AND+%22Proteins%22%5BJournal%5D)">Scoring function for automated assessment of protein structure template quality.</a> Proteins. 57, 702-710 (2004).</li>
<li>Barrett, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nomenclature+Committee+of+the+International+Union+of+Biochemistry+and+Molecular+Biology+%28NC-IUBMB%29.+Enzyme+Nomenclature.+Recommendations+1992.+Supplement+4%3A+corrections+and+additions+%281997%29%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+J+Biochem%22%5BJournal%5D)">Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB). Enzyme Nomenclature. Recommendations 1992. Supplement 4: corrections and additions (1997).</a> Eur J Biochem. 250, 1-6 (1997).</li>
<li>Ashburner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gene+ontology%3A+tool+for+the+unification+of+biology.+The+Gene+Ontology+Consortium%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Genet%22%5BJournal%5D)">Gene ontology: tool for the unification of biology. The Gene Ontology Consortium.</a> Nat. Genet. 25, 25-29 (2000).</li>
<li>Zhang, Y., Skolnick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TM-align%3A+a+protein+structure+alignment+algorithm+based+on+the+TM-score%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic.+Acids.+Res%22%5BJournal%5D)">TM-align: a protein structure alignment algorithm based on the TM-score.</a> Nucleic. Acids. Res. 33, 2302-2309 (2005).</li>
<li>Xu, D., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RK+Ab+Intio+Protein+Structure+Prediction%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">RK Ab Intio Protein Structure Prediction.</a> , Forthcoming (2011).</li>
<li>Kim, D. E., Chivian, D., Baker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+structure+prediction+and+analysis+using+the+Robetta+server%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic.+Acids.+Res%22%5BJournal%5D)">Protein structure prediction and analysis using the Robetta server.</a> Nucleic. Acids. Res. 32, W526-W531 (2004).</li>
<li>Roy, A., Mukherjee, S., Hefty, P. S., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inferring+protein+function+by+global+and+local+similarity+of+structural+analogs%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Inferring protein function by global and local similarity of structural analogs.</a> , Forthcoming (2011).</li>
<li>Marchler-Bauer, A., Bryant, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CD-Search%3A+protein+domain+annotations+on+the+fly%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic.+Acids.+Res%22%5BJournal%5D)">CD-Search: protein domain annotations on the fly.</a> Nucleic. Acids. Res. 32, W327-W331 (2004).</li>
<li>Finn, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Pfam+protein+families+database%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic.+Acids.+Res%22%5BJournal%5D)">The Pfam protein families database.</a> Nucleic. Acids. Res. 38, D211-D222 (2010).</li>
<li>Zdobnov, E. M., Apweiler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((InterProScan--an+integration+platform+for+the+signature-recognition+methods+in+InterPro%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">InterProScan--an integration platform for the signature-recognition methods in InterPro.</a> Bioinformatics. 17, 847-848 (2001).</li>
</ol>

Geen belangenconflicten verklaard.

Het protocol hierboven gepresenteerde is een algemene richtlijn voor de structuur en functie van het modelleren met behulp van de I-TASSER server. Hoewel deze geautomatiseerde procedure werkt zeer goed voor het grootste deel van de eiwitten, menselijk ingrijpen vaak helpen om een ​​aanzienlijke verbetering van de modellering nauwkeurigheid, met name voor de eiwitten die nauw templates gebrek in het VOB bibliotheek. Gebruikers kunnen ingrijpen tijdens de I-TASSER model op de volgende manieren: (a) splitsing van multi-domein eiwitten, (b) het verstrekken van externe beperkingen om de structuur montage verbeteren, en (c) het verwijderen van templates in de modellering. Splitsen van multi-domein eiwit: Veel lange eiwit-sequenties bevatten vaak meerdere domeinen gebonden door flexibele linker regio&#39;s, waardoor hun structuuropheldering moeilijk met behulp van zowel experimentele en computationele technieken. Niettemin, zoals domeinen zijn onafhankelijk van elkaar vouwen entiteiten en kunnen verschillende moleculaire functie uit te voeren, het iswenselijk om lange multi-domein eiwitten en model split elk domein afzonderlijk. Modelleren van domeinen individueel zal niet alleen maar versnellen de voorspelling proces, maar verhoogt ook de kwaliteit van de query-template alignment, wat resulteert in meer betrouwbare structuur en functie voorspellingen. Domeingrenzen in eiwit-sequenties kunnen worden voorspeld behulp van vrij verkrijgbare externe online programma&#39;s zoals NCBI CDD 24, 25 of PFAM InterProScan 26. Ook als LOMETS draadsnijden uitlijningen zijn beschikbaar voor de query eiwit, kan domeingrenzen worden gelokaliseerd door visueel te identificeren lange stukken van niet aangepaste residuen in de top-threading sjablonen (zie stap 5.4). Deze niet aangepaste regio&#39;s, hoofdzakelijk overeen met domeinnaam linker regio&#39;s. Als multi-domein templates zijn reeds beschikbaar in de sjabloon VOB bibliotheek met alle uitgelijnd vraag domeinen, wordt de query eiwit kan worden gemodelleerd als volledige lengte. Zorg voor externe beperkingen <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; De structuur assemblage simulaties in I-TASSER worden voornamelijk geleid door ruimtelijke beperkingen verzameld uit de LOMETS threading templates. Voor de zoekopdracht eiwitten die een goede threading hit (Norm. Z-score&gt; 1) zijn in de template bibliotheek, afgeleid ruimtelijke beperkingen zijn vooral van hoge nauwkeurigheid en I-TASSER zal een hoge resolutie structurele modellen te genereren voor deze eiwitten. In tegenstelling, voor de zoekopdracht eiwitten die zwakke of geen schroefdraad hit (Norm. Z-score &lt;1), verzamelde ruimtelijke beperkingen vaak fouten bevatten als gevolg van de onzekerheid van de template en de uitlijning. Voor deze eiwit targets, kan door de gebruiker opgegeven ruimtelijke informatie zeer nuttig zijn om de kwaliteit van de voorspelde model te verbeteren. Gebruikers kunnen externe beperkingen om de I-TASSER server op twee manieren: A. Geef de contact / afstand beperkingen Experimenteel gekenmerkt inter-residu contacten / afstanden, bijvoorbeeld een MRI-ofcross-linking experimenten, kan worden gespecificeerd door het uploaden van een bestand terughoudendheid. Een voorbeeld bestand wordt weergegeven in figuur 8, waar een kolom geeft het type van de beperking, dat wil zeggen &quot;DIST&quot; of &quot;contact&quot;. Voor afstand hoofdsteun (DIST), kolommen 2 en 4 bevatten residu posities (i, j), kolommen 3 en 5 bevatten de atoom-types in het residu en kolom 6 specificeert de afstand tussen de twee opgegeven atomen. Voor contact beperkingen (CONTACT), kolommen 2 en 3 bevatten de posities (i, j) van residuen die moeten worden in het contact. De afstand tussen de zijketens centrum van deze contact op te nemen residu paren wordt beslist op basis van waargenomen afstanden in bekende structuren in het VOB. I-TASSER zal proberen om deze atoom paren dicht bij de opgegeven afstand tijdens de structuur verfijning simulaties te trekken. B. Geef een eiwitstructuur sjabloon LOMETS threading programma&#39;s gebruiken een vertegenwoordiger van het VOB bibliotheek om plausibele plooien te vinden voor de query protein. Hoewel het gebruik van een representatieve structuur bibliotheek helpt het verminderen van de tijd die nodig is om de sequentie-structuur uitlijningen te berekenen, is het mogelijk dat een goed sjabloon eiwit wordt gemist in de bibliotheek of het sjabloon kan niet zijn geïdentificeerd door middel LOMETS threading-programma&#39;s, ook al is het aanwezig in de bibliotheek. In deze gevallen dient de gebruiker de gewenste eiwit structuur als de sjabloon. Om aan te geven eiwitstructuur als een extra sjabloon, kunnen gebruikers zowel uploaden een PDB geformatteerd structuur bestand of geef het VOB ID van een gedeponeerd eiwitstructuur in het VOB bibliotheek. De I-TASSER genereert de query-template uitlijning met behulp van Muster-programma 23 en zal ruimtelijke beperkingen te verzamelen van zowel de gebruiker opgegeven template en LOMETS sjablonen om de structuur montage simulatie gids. Omdat de nauwkeurigheid van de LOMETS beperkingen is verschillend voor verschillende doelen, het gewicht van de LOMETS beperkingen is sterker in eenvoudig (homologe) targets dan die harde (niet-homologe) doelen, die systematisch zijn afgestemd op onze benchmark training. Gebruikers kunnen ook aangeven hun eigen query-template uitlijningen. De server accepteert de aanpassing in twee formaten: de FASTA formaat (figuur 9A) en de 3D-formaat (figuur 9B). De FASTA formaat is standaard en beschreven op <a href="http://zhanglab.%20ccmb.med.umich.edu/FASTA/">http://zhanglab. ccmb.med.umich.edu / FASTA /</a> . De 3D-formaat is vergelijkbaar met de standaard VOB-formaat ( <a href="http://www.wwpdb.org/documentation/format32/sect9.html">http://www.wwpdb.org/documentation/format32/sect9.html</a> ), maar twee extra kolommen afgeleid van de sjablonen zijn toegevoegd aan het ATOM records (zie figuur 9B): Kolommen 1-30: Atom (C-alpha only) en residu namen voor de query sequentie. Kolommen 31-54: Coördinaten van de C-alfa-atomen van de query gekopieerd van de overeenkomstige atomen in de sjabloon. Kolommen 55-59: Overeenkomstige residu nummer in de sjabloon op basis van afstemming Kolommen 60-64: Overeenkomstige residu naam in de sjabloon Uit te sluiten templates eiwitten Eiwitten zijn flexibel moleculen en kan aannemen meerdere conformationele staten om hun biologische activiteit te veranderen. Zo hebben de structuren van veel proteïne kinases en membraaneiwitten opgelost in zowel actieve als inactieve conformatie. Ook de aanwezigheid of afwezigheid van gebonden ligand kan leiden tot grote structurele bewegingen. Terwijl alle conformationele toestanden van de template zijn gelijk voor de threading-programma&#39;s, is het wenselijk om de query met behulp van sjablonen in slechts een bepaalde toestand model. Een nieuwe optie op de server kan de gebruiker template eiwitten uit te sluiten tijdens de structuur van het modelleren. Deze functie zou ook kan de gebruiker de homologie niveau van templates worden gebruikt voor het modelleren te kiezen. Gebruikers kunnen sluiten sjabloon eiwitten frOM de I-TASSER bibliotheek door: A. Het specificeren van een sequentie-identiteit cutoff Gebruikers kunnen deze optie gebruiken om homologe eiwitten uit te sluiten van de I-TASSER template bibliotheek. De homologie niveau is ingesteld op basis van de sequentie-identiteit cutoff, dat wil zeggen het aantal identieke residu tussen de query en de sjabloon eiwit gedeeld door de volgorde lengte van de query sequentie. Bijvoorbeeld als de gebruiker typt in &quot;70%&quot; in de meegeleverde vorm, alle sjablonen eiwitten die een sequentie-identiteit hebben&gt; 70% aan de query eiwit I-zal worden uitgesloten van de I-TASSER template bibliotheek. B. uitsluiten specifieke sjabloon eiwitten Specifieke sjabloon eiwitten kunnen worden uitgesloten van de I-TASSER template library door het uploaden van een lijst met VOB-ID&#39;s van de structuren uit te sluiten. Een voorbeeld bestand wordt weergegeven in Figuur 10. Als het hetzelfde eiwit kan bestaan ​​als meerdere vermeldingen in het VOB bibliotheek, I-TASSER server zal uitsluiten door de opgegeven standaard templates (in Kolom1), alsmede alle andere sjablonen uit de bibliotheek die een identiteit hebben&gt; 90% aan de opgegeven templates. Gebruikers kunnen ook aangeven een andere identiteit cutoff, bijvoorbeeld 70%, waarbij alle sjablonen met identiteit&gt; 70% op bepaalde template eiwitten worden uitgesloten.

<ol><li> FASTA geformatteerd aminozuursequentie van het eiwit te worden gemodelleerd (zie <a href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/fasta.shtml">http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/fasta.shtml</a> ). </li><li> Een personal computer met toegang tot het internet en een webbrowser. </li><li> Moleculaire visualisatie software, zoals RasMol of pymol, voor het analyseren van de voorspelde tertiaire structuur en functionele sites. </li></ol>

een protocol voor computer-based protein structure en functie voorspelling

A Protocol for Computer-Based Protein Structure and Function Prediction

Genoom sequencing projecten zijn versleuteld miljoenen eiwitsequentie, die de kennis van hun structuur en functie nodig hebben om het begrip van hun biologische rol te verbeteren. Hoewel de experimentele methoden kunnen gedetailleerde informatie te verstrekken voor een klein deel van deze eiwitten, is computationele modellering nodig is voor het merendeel van de eiwit-moleculen die experimenteel zijn ongekarakteriseerde. De I-TASSER server is een on-line werkbank voor hoge-resolutie modellering van eiwit structuur en functie. Gegeven een eiwitsequentie, een typisch uitgang van de I-TASSER server bevat secundaire structuur voorspelling, voorspelde solvent toegankelijkheid van elk residu, homologe template eiwitten aangetroffen door te rijgen en structuur uitlijningen, tot vijf full-length tertiaire structurele modellen, en structure-based functionele annotaties voor enzym classificatie, Gene Ontology termen en eiwit-ligand binding sites. Alle voorspellingen zijn gemarkeerd met een score die het vertrouwenvertelt hoe nauwkeurig de voorspellingen zijn zonder het te weten de experimentele data. Ter vergemakkelijking van de speciale wensen van de eindgebruikers, de server geeft kanalen naar de gebruiker opgegeven inter-residu op afstand te accepteren en kaarten contact met interactief veranderen de I-TASSER modelleren, maar ook kunnen gebruikers met vermelding van eventuele eiwitten als sjabloon of uit te sluiten elke template eiwitten tijdens de structuur van de montage simulaties. De structurele informatie kan worden verzameld door de gebruikers op basis van experimentele bewijzen of biologische inzichten met als doel het verbeteren van de kwaliteit van de I-TASSER voorspellingen. De server werd geëvalueerd als de beste programma&#39;s voor proteïne structuur en functie voorspellingen in het recente community-brede CASP experimenten. Er zijn momenteel&gt; 20.000 geregistreerde wetenschappers uit meer dan 100 landen die gebruik maken van de on-line I-TASSER server.

Richtlijnen voor de computer op basis van structurele en functionele karakterisering van eiwitten met behulp van de I-TASSER pijplijn is beschreven. Vanaf vraag eiwitsequentie, zijn 3D-modellen gegenereerd met behulp van meerdere threading uitlijningen en iteratief structurele assemblage simulaties. Functionele gevolgtrekkingen worden daarna getrokken op basis van wedstrijden om eiwitten met bekende structuur en functies.

Een protocol voor Computer-Based Protein Structure en functie Voorspelling

Genoomsequencingprojecten hebben miljoenen eiwitsequenties ontcijferd, waarvoor kennis van hun structuur en functie vereist is om de ...

Het doel van deze procedure is om computationeel de driedimensionale structuren en de biologische functie van eiwitmoleculen te voorspellen op basis van hun aminozuursequenties. Dit wordt bereikt door eerst de secundaire structuur van de eiwitten via machine learning te voorspellen. De sequenties en de voorspelde secundaire structuur worden vervolgens vergeleken met de opgeloste structuren in de PDB-bibliotheek om de best mogelijke structurele templates te identificeren.Deze procedure wordt threading genoemd. Na de threading-procedure zal het IT AER-programma de templates opdelen in fragmenten op basis van de uitlijningen van de sequentietemplates, om deze fragmenten vervolgens in de derde stap te herassembleren tot modellen van volledige lengte. Volledige atomaire modellen worden geconstrueerd door verfijningen op atomair niveau om waterstofbindingsnetwerken te optimaliseren en sterische overlap te verwijderen.De laatste stap van de procedure is het identificeren van de biologische functie van de eiwitten door de voorspelde structuren te koppelen aan eiwitten met een bekende functie in de functiebibliotheek. Het belangrijkste voordeel van ITER ten opzichte van bestaande methoden voor structuurmodellering is de inherente benadering van structurele fragmentassemblage, waardoor de threading-alignments consistent dichter bij de natuurlijke toestand kunnen worden gebracht. Deze hoogwaardige strukturmodellen vormen bovendien de basis voor nauwkeurige, op structuren gebaseerde functionele annotaties om het gebruik van ITER binnen de wetenschappelijke gemeenschap te bevorderen.Ons laboratorium heeft een website beschikbaar gesteld waar eiwitsequenties kunnen worden ingediend bij iter. Deze website fungeert als een knooppunt via welke gebruikers wereldwijd een interface kunnen registreren naar een computercluster dat ITER-simulaties beheert en uitvoert. Een ITER-simulatiejob bestaat uit meer dan een dozijn kleinere subsimulaties.Wanneer deze simulaties op een enkele computer met één processorkern worden uitgevoerd, kan dit meer dan honderd uur duren. De computercluster van het Zang-lab neemt deze subsimulaties over en verdeelt ze over honderden computers, waardoor het mogelijk is om meer dan 2000 simulaties uit te voeren. Dankzij onze computercluster zijn wij in staat om elke dag honderden I taster-simulaties te voltooien.Zelfs met deze capaciteit moet er nog veel werk worden verzet om het systeem te optimaliseren en de wachttijd voor onze online IT AER-gebruikers te minimaliseren. Om te beginnen met het experiment voor structuur- en functiemodellering, logt u in op de IT AER-webpagina. De URL-adressen van alle relevante webpagina's die hier worden besproken, zijn te vinden in het geschreven protocol.Kopieer en plak de aminozuursequentie in het opgegeven formulier, of upload de sequentie direct door op de knop 'bladderen' te klikken. Geef een e-mailadres en een naam voor de taak op. Gebruikers kunnen optioneel externe contact- of afstandbeperkingen tussen residuen specificeren.Voeg een extra template toe of sluit bepaalde template-eiwitten uit tijdens het proces van structuurmodellering. Klik op de knop 'run it taser' om de sequentie te verzenden. Controleer de status van de ingediende taak door de IT taser-wachtrijpagina te bezoeken.Klik op het zoektabblad en gebruik het job-ID-nummer of de querysequentie om naar de ingediende job te zoeken. Nadat de modellering van de structuur en functie is voltooid, wordt er een notificatie-e-mail verzonden naar het opgegeven e-mailadres, met daarin een afbeelding van de voorspelde structuren en een weblink. Klik op deze link om de resultaten te bekijken en te downloaden.Begin de structuuranalyse door de voorspelling van de secundaire structuur te bestuderen, waarbij H staat voor alfa-helix, S voor bèta-strand en C voor coil. Houd daarnaast rekening met de betrouwbaarheidsscore van de voorspelling voor elk residu. Zoek naar regio's met lange sequenties van regelmatige voorspellingen voor de secundaire structuur om de kernregio in het eiwit te schatten.De structurele klasse van het eiwit kan ook worden geanalyseerd op basis van de distributie van secundaire structurele elementen. Bekijk de voorspelde oplosmiddeltoegankelijkheid om begraven en aan het oplosmiddel blootgestelde regio's vast te stellen. In de query variëren de waarden van de voorspelde oplosmiddeltoegankelijkheid van een score van nul voor een begraven residu tot een score van negen voor een blootgesteld residu.Regio's die voornamelijk uit begraven residuen bestaan, kunnen worden gebruikt om de kernregio in het eiwit af te bakenen, terwijl regio's met solvent-geëxponeerde en hydrofiele residuen potentiële hydratatie- of functionele sites zijn. Om de voorspelde tertiaire structuren van het query-eiwit te bekijken, scrolt u naar beneden naar de getoonde interactieve JMO Appt links. Klik op de applet om het uiterlijk van de weergegeven structuur te wijzigen.Zoom in op een specifieke regio, selecteer specifieke residutypes in het voorspelde model of bereken afstanden tussen residuen. Analyseer de betrouwbaarheidsscores van de structurele modellering om de kwaliteit van de voorspelde structuren te schatten. Csco-waarden liggen doorgaans in het bereik van min vijf tot twee, waarbij een hogere score duidt op een model van betere kwaliteit.De geschatte TM-score en RMSD van het eerste model worden weergegeven als de geschatte nauwkeurigheid van model één. Klik op de link voor meer informatie over csco. Om de csco-clustergrootte en clusterdichtheid van alle modellen te analyseren, moeten de top 10 threading-templates van het query-eiwit worden geanalyseerd, zoals geïdentificeerd door low mets threading-programma's.Door naar beneden te scrollen op de resultatenpagina, kunt u de genormaliseerde Z-score bekijken om de kwaliteit van de threading-alignments te analyseren. Alignments met een genormaliseerde csco groter dan één weerspiegelen een betrouwbare alignment en hebben zeer waarschijnlijk dezelfde vouwing als het query-eiwit. Onderzoek de sequentie-identiteit in het threading-aligned gebied en voor de gehele keten om de homologie tussen de query- en template-eiwitten te beoordelen.Een hoge sequentie-identiteit is een indicator voor de evolutionaire verwantschap tussen de query- en template-eiwitten. Bekijk de in kleur weergegeven threading-uitgelijnde residuen om geconserveerde residuen of motieven in de query- en template-eiwitten visueel te identificeren; een hogere sequentie-identiteit in het threading-uitgelijnde gebied vergeleken met de uitlijning van de gehele keten wijst ook op de aanwezigheid van geconserveerde structurele motieven of domeinen in de query. Beoordeel de dekking van de threading-uitlijning door de uitlijning te inspecteren.Als de dekking van de beste alignering laag is en beperkt blijft tot slechts een klein gebied van het query-eiwit, of afwezig is voor een lang segment van de query-sequentie, wijst dit erop dat het query-eiwit meer dan één domein bevat. In dat geval wordt aanbevolen om de sequentie te splitsen en de domeinen individueel te modelleren. Bekijk de volgende tabel op de resultatenpagina om de top 10 structurele analogen van het eerste voorspelde model te bepalen, zoals geïdentificeerd door het structurele aligneringsprogramma TM align.Een TM-score groter dan 0,5 geeft aan dat de gedetecteerde analoog en het model een vergelijkbare topologie hebben en gebruikt kunnen worden om de structurele klasse of eiwitfamilie van het query-eiwit te bepalen. Waarden met een TM-score lager dan 0,3 duiden op een willekeurige structurele gelijkenis. Analyseer de sequentie-identiteit en RMSD in het structureel uitgelijnde gebied om de conservering van ruimtelijke motieven in het model en de structurele analoog te beoordelen.Inspecteer visueel de gekleurde en uitgelijnde residuparen in de alignering om deze structureel geconserveerde residuen en motieven te identificeren. Raadpleeg de tabel met voorspelde EC-nummers om de top vijf potentiële enzym-OG's van het query-eiwit te bekijken. Het betrouwbaarheidsniveau van de voorspelling van het EC-nummer met behulp van deze templates wordt weergegeven als de EC-score op basis van benchmarkanalyse.Functionele overeenkomst tussen het query-eiwit en het template-eiwit kan betrouwbaar worden geïnterpreteerd met een EC-score groter dan 1,1. Zoek vervolgens naar een consensus over de functie tussen de templates die een vergelijkbare vouwing hebben als het query-eiwit. Als meerdere templates hetzelfde EC-nummer hebben en de EC-score groter is dan 1,1, is het betrouwbaarheidsniveau van de voorspelling zeer hoog.Wanneer de EC-score echter hoog is, maar er een gebrek is aan consensus tussen de geïdentificeerde hits, wordt de voorspelling minder betrouwbaar en wordt gebruikers aangeraden de gene ontology te raadplegen. In het overzicht van de termvoorspellingen kan de tabel met voorspelde gene ontology-termen worden bekeken om de top 10 homologen van het query-eiwit in de PDB-bibliotheek te identificeren die zijn geannoteerd met gene ontology-termen; elk eiwit is gewoonlijk geassocieerd met meerdere gene ontology-termen die de moleculaire functies, biologische processen en cellulaire locatie beschrijven. Klik op elke term om naar de Amigo-website te gaan en de definitie en lineage te analyseren.Analyseer de kolom met de functionele homologiescore om de functionele gelijkenis tussen de query- en template-eiwitten vast te stellen. Ook het betrouwbaarheidsniveau voor de overdracht van functionele annotaties van deze eiwitten kan worden geschat. Bekijk de tabel met de consensusvoorspelling van gene-ontologietermen om de overeenkomst in functie tussen de templates te analyseren.Deze veelgebruikte functies worden gebruikt om de gene ontology-termen van het query-eiwit te voorspellen en om het betrouwbaarheidsniveau van de voorspelde geo-termen te beoordelen. Scroll ten slotte naar beneden naar de onderkant van de pagina om de top 10 voorspellingen van ligandbindingsplaatsen voor het query-eiwit te bekijken; de voorspelde bindingsplaatsen zijn gerangschikt op basis van het aantal voorspelde ligandconformaties die een gemeenschappelijke bindingspocket delen. De best geïdentificeerde bindingsplaats wordt al weergegeven in de JM OL appt.Klik op de keuzerondjes om andere voorspellingen te analyseren en de interagerende residuen van het ligand te visualiseren. De BS-score onthult de lokale gelijkenis tussen de bindingsplaats van het model en die van de templates. Een BS-score hoger dan 1,1 wijst op een hoge sequentie- en structurele gelijkenis nabij de voorspelde bindingsplaats.In het model vergeleken met de bekende bindingsplaats in het sjabloon, is de IT een hoofdpagina die links bevat naar andere nuttige functies. De forumfunctie stelt de gebruiker in staat om een online account aan te maken en hulp te zoeken bij andere ITER-gebruikers met betrekking tot structuurmodellering of hulp bij het interpreteren van de resultaten. De downloadfunctie stelt gebruikers in staat om iter en gerelateerde pakketten te downloaden en op hun computer te installeren.Dit helpt de tijd die nodig is voor het uitvoeren van de modelleringsexperimenten te verkorten. Dankzij de wachtrijfunctie kan de status van alle ingediende taken op de IT a Q-pagina worden bekeken. Gebruikers kunnen daarnaast de afbeeldingen van de gemodelleerde structuren voor voltooide taken visueel inspecteren.Op deze pagina worden ook de verwachte CSCO TM-score en de verwachte RMSD van het eerste model getoond, evenals de indieningsdatum; hier is een uittreksel te zien van de IT AER-resultatenpagina met de querysequentie in faster-formaat, de voorspelde secundaire structuur, de bijbehorende betrouwbaarheidsscores en de voorspelde solventtoegankelijkheid van de residuen. De geanalyseerde kernregio en de potentiële hydratatieplaats in de query zijn respectievelijk gemarkeerd met cyaan- en rode rechthoeken. Hier worden de voorspellingen van de tertiaire structuur voor de query-eiwitten getoond.De voorspelde modellen worden weergegeven in een interactieve JML-app-outlet, waardoor de gebruiker de weergave van het molecuul kan wijzigen. De modellen kunnen ook worden gedownload door op de downloadlinks te klikken; de betrouwbaarheidsscore om de kwaliteit van het model te schatten wordt vermeld als de csco. Er wordt een voorbeeld getoond van de itta A-resultatenpagina met de top 10 geïdentificeerde threading-templates en alignments door Loomis threading-programma's.De kwaliteit van de threading-alignments wordt geëvalueerd op basis van de genormaliseerde Z-score, waarbij een waarde groter dan één duidt op een betrouwbare alignment. Gealigneerde residuen in het template die identiek zijn aan de overeenkomstige query-residuen zijn in kleur gemarkeerd om de aanwezigheid van een geconserveerd residu of motief aan te geven. Omgekeerd duidt het ontbreken van een alignment in de meeste top-templates op de aanwezigheid van meerdere domeinen in het query-eiwit, waarbij de niet-gealigneerde residuen overeenkomen met domeinlinkerregio's.Deze tabel toont de top 10 geïdentificeerde structurele analogen en structurele uitlijningen die zijn gevonden door het TM aligned Structural alignment Program. De rangschikking van de analogen is gebaseerd op de TM-score van de structurele uitlijning. Een TM-score groter dan 0,5 geeft aan dat de twee vergeleken structuren een vergelijkbare topologie hebben.Een TM-score van minder dan 0,3 duidt op een gelijkenis tussen twee willekeurige structuren. Structureel uitgelijnde residu-paren zijn in kleur gemarkeerd op basis van hun aminozuureigenschap, terwijl niet-uitgelijnde regio's zijn aangegeven met een streepje. Hier is een voorbeeld van de ITR-resultatenpagina waarop geïdentificeerde enzymhomologen van het query-eiwit in de PDB-bibliotheek worden getoond.Het betrouwbaarheidsniveau van de voorspelling van het EC-nummer wordt geanalyseerd op basis van de EC-score, waarbij een EC-score groter dan 1,1 duidt op functionele gelijkenis tussen het query-eiwit en het template-eiwit. De tabel met voorspellingen van gene ontology-termen voor het query-eiwit bevat functionele homologen voor het query-eiwit uit de gene ontology template-bibliotheek, gerangschikt op basis van hun functionele homologiescore. Gemeenschappelijke functionele kenmerken van deze hoogst scorende hits worden afgeleid om de uiteindelijke voorspellingen van gene ontology-termen voor het query-eiwit te genereren.De kwaliteit van de voorspelde gene ontology-termen wordt geschat op basis van de geo-score, waarbij een geo-score groter dan 0,5 duidt op een betrouwbare voorspelling; hier wordt als voorbeeld de resultatenpagina van IT AZA getoond met de top 10 voorspellingen van eiwitligand-bindingsplaatsen met behulp van het cofactor-algoritme. De rangschikking van de voorspelde bindingsplaatsen is gebaseerd op het aantal voorspelde ligandconformaties die een gemeenschappelijke bindingspocket delen. In de query is de BS-score een maat voor de lokale sequentie- en structuursimiliteit tussen de voorspelde bindingsplaats en de template-bindingsplaats, wat nuttig is voor het analyseren van de conservatie van bindingspocket-plaatsen.Hoewel ISER een van de meest efficiënte algoritmen is voor de voorspelling van proteïnestructuur en -functie, is het belangrijk om te onthouden dat het slechts een voorspelling is op basis van computeralgoritmen. Elke vorm van experimentele gegevens of functionele inzichten, zoals informatie over bindingen tussen residuen, zal uiterst nuttig zijn om de nauwkeurigheid van de voorspellingen te verhogen. De IT AER-server beschikt over een portaal om deze informatie tijdens de modelleringsprocedure op te nemen om aan de toenemende interesse hierin tegemoet te komen.Het Zang-lab heeft de IT AER-software gratis beschikbaar gesteld voor niet-commercieel onderzoek. Wij werken actief aan de verdere ontwikkeling en verbetering van IT AER en de eye taster, in de hoop dat de beschikbaarheid ervan zal leiden tot grootschalige toepassing buiten het Zang-lab en verdere research binnen de wetenschappelijke gemeenschap zal stimuleren en bevorderen.

a-protocol-for-computer-based-protein-structure-function

Research

JoVE Journal

Biology

Biologie

We ontwikkelden computationele de novo eiwit-ontwerpmethoden die in staat zijn om verschillende belangrijke gebieden van eiwit-ontwerp aan te pakken. Om deze methoden te verspreiden, presenteren we Protein WISDOM, een online tool voor eiwit-ontwerp (http://www.proteinwisdom.org). Uitgaande van een structurele sjabloon, kan het ontwerp van monomere eiwitten voor verhoogde stabiliteit en complexen voor verhoogde bindingsaffiniteit worden uitgevoerd.

Proteïne WIJSHEID: Een Workbench voor<em&gt; In silico</em&gt;<em&gt; De novo</em&gt; Ontwerp van biomoleculen

Synthetische eiwitsequenties gebaseerd op consensusmotieven negeren doorgaans co-evolerende residuen, die interpositionele afhankelijkheden (IPD's) impliceren. IPD's kunnen essentieel zijn voor activiteit, en ontwerpen die ze negeren, kunnen resulteren in suboptimale resultaten. Dit protocol gebruikt StickWRLD om IPD's te identificeren en helpt bij het informeren van rationeel eiwitdesign, wat resulteert in efficiëntere resultaten.

Optimalisatie van synthetische eiwitten: Identificatie van interpositioneel afhankelijkheden Indicating structureel en / of functioneel verbonden Residuen

Een protocol voor het online onderzoek van eiwitsequentie-structuur-dynamiek relaties met behulp van Bio3D-web wordt gepresenteerd.

Onderzoek naar eiwitsequentie-structuur-dynamiek Relaties met Bio3D-web

Het protocol dat hier wordt beschreven, biedt gedetailleerde instructies voor het analyseren van genomische gebieden die van belang zijn voor microproteïnecoderingspotentieel met behulp van PhyloCSF op de gebruiksvriendelijke UCSC Genome Browser. Daarnaast worden verschillende hulpmiddelen en middelen aanbevolen om de sequentiekenmerken van geïdentificeerde microproteïnen verder te onderzoeken om inzicht te krijgen in hun vermeende functies.

Een geïntegreerde aanpak voor microproteïne-identificatie en sequentieanalyse

We beschrijven een methodologie gebaseerd op sequentiediversificatie om de aminozuurvoorkeuren van multispecifieke bindingsplaatsen in eiwit-eiwitinteracties (PPI's) te schatten. In deze strategie worden duizenden potentiële peptideliganden gegenereerd en gescreend in silico, waardoor enkele beperkingen van beschikbare experimentele methoden worden overwonnen.

Computationele voorspelling van aminozuurvoorkeuren van potentieel multispecifieke peptide-bindende domeinen die betrokken zijn bij eiwit-eiwitinteracties

Dit tweetalige protocol biedt een computationele workflow voor geneesmiddelenontdekking die eiwit-ligandinteracties van Polo-achtige Kinases 1 tot 3 (PLK1–3) en de eigenschappen van Absorptie, Distributie, Metabolisme, Excretie, Toxiciteit en Stabiliteit (ADMET-S) van in databases gebaseerde natuurlijke moleculen beoordeelt.

Een tweetalige computationele workflow voor het identificeren van potentiële PLK1-remmers in Amerikaanse gebarentaal en Engels

Eiwitontwerp omvat de constructie van aminozuursequenties en de opname van specifieke motieven om functionele varianten te creëren. Deze aanpak is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van antimicrobiële peptiden (AMP's) om antibioticaresistente ziekteverwekkers te bestrijden. Dit artikel presenteert een procedure voor eiwitconstructie met behulp van verschillende bio-informaticahulpmiddelen.

Toepassing van I TASSER, trRosetta, UCSF Chimera, HADDOCK-server en HEX-loria voor De Novo en In Silico Design of Proteins

We passen label-free eiwit interactie analyse met behulp van Biacore X100 voor structuur-functie analyse van de binding van verschillende cystatine B mutanten te papaïne door kinetische karakterisering. Kalibratie-vrije concentratie analyse (CBVC) meet de concentratie van het eiwit met behoud van bindende activiteit, zonder de noodzaak van een standaard curve. We tonen aan dat de bevestiging van de concentraties met behulp van CFCA verhoogt de betrouwbaarheid van de kinetische analyse en dat...

Het belang van correcte eiwitconcentratie voor Kinetics en affiniteit Bepaling in structuur-functie analyse

De bijhorende video beschrijft het gebruik van de GELFREE 8100 Fractionation System, welke partities complex eiwit monsters op basis van moleculair gewicht en herstelt de fracties in de vloeibare fase. De video beschrijft hoe de technologie werkt, hoe het wordt gebruikt, en biedt resulterende data, met polyacrylamidegelelektroforese analyse van gefractioneerde runderen leverhomogenaat.

Met behulp van de GELFREE 8100 Fractionering System for Molecular Weight-Based Fractionering met Liquid Phase Recovery

Gendeletie en eiwit overexpressie zijn gemeenschappelijke methoden voor het bestuderen van functies van eiwitten. In dit artikel beschrijven we een protocol voor de analyse van fenotype ontwikkeling als een functie van de proteïne concentratie op de bevolking en de single-cell niveau...

Analyse van de ontwikkeling van een morfologische fenotype als een functie van de eiwitconcentratie in gist

Leer het I-TASSER-protocol voor voorspelling van 3D-eiwitstructuren en functies uit aminozuursequenties. Deze computationele methode combineert threading, fragmentassemblage en machine learning voor nauwkeurige modellen.

Een protocol voor Computer-Based Protein Structure en functie Voorspelling

Meer video's verkennen