Name: Badanie zależności między sekwencją, strukturą i dynamiką białek za pomocą Bio3D-web (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 51 s
Description: Poznaj analizę sekwencji, struktury i dynamiki białek za pomocą Bio3D-web. Narzędzie umożliwia interaktywne badanie rodzin białkowych bez wiedzy programistycznej.

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

Dziękujemy Dr. Guido Scarabelli i Hongyang Li za obszerne testy w trakcie rozwoju, a także społeczności użytkowników Bio3D i uczestnikom warsztatów bioinformatyki strukturalnej Uniwersytetu w Bergen za opinie i komentarze, które ulepszyły tę aplikację.

UWAGA: Typowa sesja internetowa Bio3D przechodzi przez pięć następujących po sobie i zależnych od siebie kroków (patrz Rysunek 1 dla schematycznej reprezentacji). Każdy krok jest zaimplementowany jako kolejna zakładka nawigacyjna aplikacji internetowej, a mianowicie SEARCH, ALIGN, FIT, PCA i eNMA.
1. Wyszukiwanie i wybór struktury (SEARCH)
<ol>
	<li>Struktura wejściowa
	<ol>
		<li>Uzyskaj identyfikator PDB kinazy adenylanowej (Adk), np. przeszukując PDB [http://www.rcsb.org/pdb]. Alternatywnie należy uzyskać interesującą sekwencję aminokwasów białkowych, np. z UniProt [http://uniprot.org].</li>
		<li>Wprowadź czteroznakowy identyfikator PDB dla Adk (np. 1AKE) lub wklej sekwencję białka w polu tekstowym w panelu "Struktura wejściowa lub sekwencja".</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wybór trafienia
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (wybór trafienia) w pierwszym panelu lub po prostu przewiń w dół do panelu B) "Wybór trafienia" w celu dalszej analizy.</li>
		<li>Upewnij się, że suwak "Ogranicz łączną liczbę uwzględnionych struktur" jest ustawiony na maksymalną wartość, aby uwzględnić wszystkie struktury powyżej punktu odcięcia.</li>
		<li>Zmniejsz wartość "Dostosuj odcięcie BitScore włączenia", aby uwzględnić bardziej odległe trafienia, lub zwiększ ją, aby wykluczyć.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Opcjonalne filtrowanie działań
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (naciśnij wybór) w pierwszym panelu lub po prostu przewiń w dół do panelu C) "Opcjonalne filtrowanie powiązanych struktur do dalszej analizy".</li>
		<li>Upewnij się, że wybrane trafienia reprezentują odpowiednie struktury, sprawdzając szczegóły tabeli, np. nazwę PDB, gatunki i związane ligandy.</li>
		<li>W razie potrzeby ręcznie doprecyzuj wybrany podzbiór struktur, klikając wiersze tabeli. 
		UWAGA: Wiersze wyróżnione kolorem niebieskim przedstawiają identyfikatory PDB wybrane do dalszej analizy w kolejnych zakładkach.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Analiza wyrównania wielu sekwencji (ALIGN)
<ol>
	<li>Kliknij zakładkę WYRÓWNAJ, aby wykonać sekwencyjne wyrównanie wybranych struktur z zakładki SZUKAJ.</li>
	<li>Podsumowanie wyrównania
	<ol>
		<li>Przejrzyj podsumowanie wyrównania w panelu A) "Podsumowanie wyrównania". Upewnij się, że obszary zainteresowania są wyrównane i nie są maskowane przez przerwy w jednej lub kilku strukturach.</li>
		<li>W razie potrzeby przełącz opcję "Wyświetl opcje edycji wyrównania" i usuń niechciane identyfikatory PDB, np. PDB z brakującymi pozostałościami.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza dopasowania sekwencji
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Analiza), aby przeprowadzić analizę klastrów opartą na sekwencjach zebranych struktur.</li>
		<li>Wybierz opcję działki Dendrogram. Dostosuj suwak Klaster w K grupach, aby podzielić struktury na k grup.</li>
		<li>Opcjonalnie zmień metodę klastrowania w razie potrzeby, przełączając pole wyboru Więcej opcji klastrowania i danych wyjściowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza konserwacji pozostałości
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Konserwacja), aby obliczyć ochronę pozostałości w kolumnach.</li>
		<li>Wybierz zestawy Wyrównana struktura, aby wygenerować wykres zachowania pozostałości w każdej pozycji wyrównania.</li>
		<li>Wybierz opcję Struktury wyrównane z wyrównaniem nasion PFAM, aby wyświetlić konserwację obliczoną w odniesieniu do skojarzonego wyrównania nasion PFAM zawierających reprezentatywnych członków rodziny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyświetlanie wyrównania sekwencji
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Wyrównanie), aby wyświetlić pełne wyrównanie sekwencji za pomocą narzędzia do wizualizacji wyrównania w przeglądarce.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Dopasowanie i analiza konstrukcji (FIT)
<ol>
	<li>Wykonaj nakładanie konstrukcji, wchodząc w zakładkę DOPASUJ.</li>
	<li>Superpozycja struktury
	<ol>
		<li>Przełącz pole wyboru "Pokaż PDB", aby wyświetlić wyrównane struktury białkowe w przeglądarce.</li>
		<li>Upewnij się, że struktury białkowe są nałożone na odpowiednie i odpowiednie regiony za pomocą oględzin. Kliknij i przeciągnij myszą nad strukturami, aby je obrócić, i przewiń, aby powiększyć.</li>
		<li>Dostosuj kolorystykę struktur, klikając "Opcje kolorów". Opcje kolorowania obejmują pozycję wyrównania, zmienność strukturalną dla każdej pozycji, grupy klastrów RMSD, grupy klastrów sekwencji, wyrównane regiony i strukturę drugorzędną.</li>
		<li>Pobierz nałożone struktury jako konwencjonalne pliki PDB lub jako pojedynczy plik sesji PyMOL w celu wizualizacji w specjalistycznym programie do przeglądania molekularnego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza konstrukcji
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Analiza), aby przeprowadzić grupowanie zebrane struktury PDB w oparciu o strukturę.</li>
		<li>Przełącz mapę cieplną RMSD w menu rozwijanym Opcje wykresu.</li>
		<li>Dostosuj opcje grupowania, w tym samą metodę grupowania, przełączając pole wyboru "Więcej opcji grupowania i wyjścia". 
		UWAGA: Parami dane RMSD mogą być również wizualizowane jako dendrogram, histogram lub mapa cieplna.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wahania pozostałości
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (RMSF), aby wyświetlić zmienność strukturalną każdej pozostałości (pokazanej jako wykres RMSF) z głównymi elementami struktury drugorzędowej pokazanymi w obszarach brzeżnych osi x.</li>
		<li>Zaznacz pole wyboru Pokaż współczynniki B, aby nałożyć krystalograficzne współczynniki B struktury odniesienia na wykres RMSF.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Analiza głównych składowych (PCA)
<ol>
	<li>Analizę składowych głównych należy przeprowadzić, wchodząc w zakładkę "PCA".</li>
	<li>Wizualizacja głównych komponentów
	<ol>
		<li>Przełącz pole wyboru "Pokaż trajektorię komputera", aby wizualizować ruchy opisane przez komputery za pomocą narzędzia do wizualizacji w przeglądarce.</li>
		<li>Upewnij się, że z pierwszego menu rozwijanego wybrano opcję "Główny składnik 1".</li>
		<li>Aby zobrazować ruchy opisane przez inne komputery, wybierz żądany komputer z menu rozwijanego "Wybierz główny komponent".</li>
		<li>Zmień kolorowanie trajektorii z menu rozwijanego "Opcje kolorów".</li>
		<li>Wybierz "Zmienność na pozycję" z "Opcji kolorów", aby pokolorować według wielkości przemieszczenia.</li>
		<li>Kliknij przycisk "Pobierz trajektorię PDB" w panelu "Wizualizacja głównych komponentów", aby uzyskać widok trajektorii ruchu opisanego przez komputery.</li>
		<li>Kliknij przycisk "Pobierz plik sesji PyMOL", aby wygenerować plik sesji PyMOL podający ruchy jako pole wektorowe.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza konformatora
	<ol>
		<li>Rzutuj poszczególne struktury na dwa wybrane komputery, klikając niebieski przycisk "Dalej" (Fabuła).</li>
		<li>Upewnij się, że opcja "PC na osi X" jest ustawiona na 1, a "PC na osi Y" na 2. Aby rzutować struktury na inne komputery, dostosuj odpowiednio numerację komputerów.</li>
		<li>Wybierz "Cluster by PC Subspace", aby pokolorować struktury na wykresie za pomocą grupowania opartego na PC; "RMSD" aby pokolorować za pomocą grupowania "opartego na RMSD" i "Sequence", aby pokolorować według grupowania opartego na sekwencji.</li>
		<li>Kliknij dowolne punkty na wykresie, aby oznaczyć struktury. Możesz też zaznaczyć jedną lub więcej struktur w tabeli "Adnotacja wykresu konformatora PCA" poniżej wykresu.</li>
		<li>Przesuń suwak Komputery w podprzestrzeni, aby uwzględnić więcej/mniej komputerów dla algorytmu klastrowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wkład pozostałości
	<ol>
		<li>Oblicz udział pozostałości w poszczególnych komputerach, klikając niebieski przycisk "Dalej" (Wkład pozostałości).</li>
		<li>Narysuj składki dla dodatkowych komputerów, podając numer komputera w polu tekstowym "Wybierz główny komponent".</li>
		<li>Przełącz pole wyboru "Linie rozprowadzania", unikając wykreślania wkładów pozostałości jedna na drugiej.</li>
		<li>Wyłącz pole wyboru "Wykres wieloliniowy", aby wykreślić udział pozostałości na oddzielnych wykresach.</li>
		<li>Przełącz opcję "Pokaż RMSF", aby uwzględnić wartości RMSF (z zakładki DOPASOWANIE).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Zespołowa analiza w trybie normalnym (eNMA)
<ol>
	<li>Kliknij kartę eNMA, aby rozpocząć obliczanie trybów normalnych (NM).</li>
	<li>Struktura filtra
	<ol>
		<li>Dostosuj liczbę struktur, zmniejszając lub zwiększając "Punkt odcięcia" dla włączania/wykluczania struktur.</li>
		<li>Kliknij zielony przycisk "Uruchom Ensemble NMA", aby rozpocząć obliczanie NMA.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wizualizacja trybów normalnych
	<ol>
		<li>Przewiń w dół do drugiego panelu zakładki eNMA (Wizualizacja trybów normalnych), aby wyświetlić NMs. 
		UWAGA: Domyślnie w oknie wizualizacji wyświetlany jest NM o największym nałożeniu (podobieństwie) do PC-1.</li>
		<li>Aby zobrazować ruchy opisane przez inne NM lub inne struktury PDB, wybierz żądany NM i strukturę odpowiednio z menu rozwijanych "Wybierz tryb" i "Pokaż NM dla struktury". </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wahania pozostałości
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Fluktuacje), aby obliczyć fluktuacje reszt struktur wybranych dla eNMA.</li>
		<li>Przełącz opcję "Klaster według RMSD", aby pokolorować profile fluktuacji według klastrowania opartego na RMSD.</li>
		<li>Przełącz opcję "Klaster według RMSIP", aby pokolorować profile fluktuacji według klastrowania opartego na RMSIP.</li>
		<li>Przełącz pole wyboru "Linie rozrzutu", aby wykreślić pogrupowane profile fluktuacji oddzielnie od siebie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Porównanie NMA i PCA
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (PCA-vs-NMA), aby obliczyć podobieństwo między poszczególnymi NM i PC.</li>
		<li>Wybierz identyfikator PDB z menu rozwijanego "Porównaj NM struktury", aby obliczyć podobieństwo NM tej struktury do PC obliczonych w zakładce PCA.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza nakładania się
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Analiza nakładania się), aby obliczyć nakładanie się obliczonych NM i wektora różnicy konstrukcji między dwiema wybranymi konstrukcjami.</li>
		<li>Wybierz "referencyjny" identyfikator PDB z menu rozwijanego "Porównaj NM struktury" i/lub jeden lub więcej identyfikatorów PDB w tabeli struktury, aby porównać parami z referencyjnym PDB.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza klastrowa
	<ol>
		<li>Kliknij niebieski przycisk "Dalej" (Grupowanie), aby wykonać grupowanie struktury w oparciu o podobieństwo NM parami (RMSIP).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Kornev, A. P., Taylor, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics-Driven+Allostery+in+Protein+Kinases%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+Biochem.+Sci%22%5BJournal%5D)">Dynamics-Driven Allostery in Protein Kinases.</a> Trends Biochem. Sci. 40 (11), 628-647 (2015).</li>
<li>Yao, X. -Q., Grant, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Domain-opening+and+dynamic+coupling+in+the+%CE%B1-subunit+of+heterotrimeric+G+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Domain-opening and dynamic coupling in the α-subunit of heterotrimeric G proteins.</a> Biophys. J. 105 (2), L08-L10 (2013).</li>
<li>Henzler-Wildman, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+motions+along+an+enzymatic+reaction+trajectory%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Intrinsic motions along an enzymatic reaction trajectory.</a> Nature. 450 (7171), 838-844 (2007).</li>
<li>Boehr, D., Nussinov, R., Wright, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+dynamic+conformational+ensembles+in+biomolecular+recognition%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Chem.+Biol%22%5BJournal%5D)">The role of dynamic conformational ensembles in biomolecular recognition.</a> Nat. Chem. Biol. 5 (11), 789-796 (2009).</li>
<li>Teilum, K., Olsen, J. G., Kragelund, B. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+aspects+of+protein+flexibility%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Mol+Life+Sci%22%5BJournal%5D)">Functional aspects of protein flexibility.</a> Cell Mol Life Sci. 66 (14), 2231-2247 (2009).</li>
<li>Henzler-Wildman, K., Kern, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+personalities+of+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Dynamic personalities of proteins.</a> Nature. 450 (7172), 964-972 (2007).</li>
<li>Grant, B. J., Gorfe, A. A., McCammon, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+conformational+changes+in+proteins%3A+signaling+and+other+functions%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Opin.+Struct.+Biol%22%5BJournal%5D)">Large conformational changes in proteins: signaling and other functions.</a> Curr. Opin. Struct. Biol. 20 (2), 142-147 (2010).</li>
<li>Grant, B. J., Rodrigues, A. P. C., ElSawy, K. M., McCammon, J. A., Caves, L. S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio3d%3A+an+R+package+for+the+comparative+analysis+of+protein+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Bio3d: an R package for the comparative analysis of protein structures.</a> Bioinformatics. 22 (21), 2695-2696 (2006).</li>
<li>Bakan, A., Meireles, L. M., Bahar, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ProDy%3A+protein+dynamics+inferred+from+theory+and+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">ProDy: protein dynamics inferred from theory and experiments.</a> Bioinformatics. 27 (11), 1575-1577 (2011).</li>
<li>Zimmermann, M. T., Kloczkowski, A., Jernigan, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MAVENs%3A+motion+analysis+and+visualization+of+elastic+networks+and+structural+ensembles%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">MAVENs: motion analysis and visualization of elastic networks and structural ensembles.</a> BMC Bioinformatics. 12 (1), 264(2011).</li>
<li>Yang, L. -W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((oGNM%3A+online+computation+of+structural+dynamics+using+the+Gaussian+Network+Model%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">oGNM: online computation of structural dynamics using the Gaussian Network Model.</a> Nucleic Acids Res. 34, 24-31 (2006).</li>
<li>Suhre, K., Sanejouand, Y. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ElNemo%3A+a+normal+mode+web+server+for+protein+movement+analysis+and+the+generation+of+templates+for+molecular+replacement%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">ElNemo: a normal mode web server for protein movement analysis and the generation of templates for molecular replacement.</a> Nucleic Acids Res. 32, W610-W614 (2004).</li>
<li>Tiwari, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((WEBnm%40+v2.0%3A+Web+server+and+services+for+comparing+protein+flexibility%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">WEBnm@ v2.0: Web server and services for comparing protein flexibility.</a> BMC Bioinformatics. 15 (1), 427(2014).</li>
<li>Hrabe, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PDBFlex%3A+exploring+flexibility+in+protein+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">PDBFlex: exploring flexibility in protein structures.</a> Nucleic Acids Res. 44, D423-D428 (2016).</li>
<li>Skjærven, L., Jariwala, S., Yao, X. -Q., Grant, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+interactive+analysis+of+protein+structure+ensembles+with+Bio3D-web%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Online interactive analysis of protein structure ensembles with Bio3D-web.</a> Bioinformatics. , first published online (2016).</li>
<li>Skjærven, L., Yao, X., Scarabelli, G., Grant, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrating+protein+structural+dynamics+and+evolutionary+analysis+with+Bio3D%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Integrating protein structural dynamics and evolutionary analysis with Bio3D.</a> BMC Bioinformatics. 15 (399), 1-11 (2014).</li>
<li>Eddy, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accelerated+Profile+HMM+Searches%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+Comput.+Biol%22%5BJournal%5D)">Accelerated Profile HMM Searches.</a> PLoS Comput. Biol. 7 (10), (2011).</li>
<li>Edgar, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MUSCLE%3A+multiple+sequence+alignment+with+high+accuracy+and+high+throughput%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput.</a> Nucleic Acids Res. 32 (5), 1792-1797 (2004).</li>
<li>Berman, H. M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10592235">The Protein Data Bank.</a> Nucleic Acids Res. 28 (1), 235-242 (2000).</li>
<li>Finn, R. D., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3965110/">Pfam: the protein families database.</a> Nucleic Acids Res. 42, D222-D230 (2014).</li>
<li>Kerns, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+energy+landscape+of+adenylate+kinase+during+catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Struct.+Mol.+Biol%22%5BJournal%5D)">The energy landscape of adenylate kinase during catalysis.</a> Nat. Struct. Mol. Biol. 22 (2), 124-131 (2015).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Bio3D-web może być używany do interaktywnego badania i mapowania stanów strukturalnych, dynamicznych i funkcjonalnych białek na podstawie dostępnych struktur krystalograficznych. Co więcej, wyniki grupowania oparte na NMA i PCA, wraz z adnotacjami i analizą opartą na sekwencjach, mogą być szczególnie przydatne do wyboru reprezentatywnych struktur do bardziej czasochłonnych analiz, takich jak dokowanie małych cząsteczek lub symulacje dynamiki molekularnej. W ten sposób Bio3D-web ułatwia zaawansowaną analizę bioinformatyczną strukturalną szerszemu gronu badaczy, zmniejszając wymagany poziom wiedzy technicznej. Obecny projekt Bio3D-web kładzie nacisk na prostotę, a nie na wyczerpujące włączenie wielu metod analizy dostępnych w pełnym, samodzielnym pakiecie Bio3D. W wielu przypadkach przewiduje się, że naukowcy będą korzystać z Bio3D-web w celu zrozumienia ogólnych trendów w ich rodzinie białek lub nadrodzinie białek, które mogą następnie dostarczyć informacji na temat bardziej specjalistycznych analiz. Bio3D-web został zatem zaprojektowany do szybkiego eksplorowania zestawów danych dotyczących struktury biomolekularnej i działania jako narzędzie do generowania hipotez. Zachęcamy użytkowników do dalszego eksplorowania swoich danych poprzez podanie przykładowego kodu Bio3D w powtarzalnym raporcie, który przechowuje również wszystkie szczegóły zapytania i wyniki analizy.
W powyższym reprezentatywnym przykładowym protokole pokazujemy zdolność Bio3D-web do ujawniania cech strukturalnych funkcjonalnych przejść konformacyjnych Adk. Dodatkowe zastosowania Bio3D-web obejmują analizę strukturalną i dynamiczną struktur PDB przesłanych przez użytkownika. Na przykład użytkownik może przesłać nowe struktury lub sekwencje białek do analizy. Wspomniane wcześniej etapy analizy, zwłaszcza etap eNMA, mogą ujawnić zarówno lokalne, jak i globalne trendy w ruchach białek, przy czym ruchy zbiorowe mają znaczenie funkcjonalne. Porównanie ze strukturami apo może również ujawnić cechy niezwiązanych z wiązanymi przejściami konformacyjnymi. Dodatkowe przykłady zastosowania do wielu różnych rodzin białek są dostępne w Internecie.
Chociaż wszystkie białka są elastycznymi i dynamicznymi jednostkami, nie wszystkie białka mają struktury o rozdzielczości atomowej dostępne w wielu różnych stanach (np. stanach aktywnych i nieaktywnych). Nasz pogląd na przestrzeń struktury białek jest zatem ograniczony, a zatem wgląd uzyskany za pomocą narzędzi takich jak Bio3D-web jest z konieczności ograniczony również w przypadku niektórych białek. Jednak przy obecnym postępie technologicznym i nowych inicjatywach w zakresie genomiki strukturalnej, przedstawiony tutaj protokół będzie coraz częściej stawał się ważną drogą do uzyskania wglądu w ważne relacje struktura-funkcja. Krytycznym krokiem, który jest szczególnie ważny przy analizie bardziej odległych spokrewnionych białek, jest potencjalne pojawienie się błędów dopasowania w zakładce ALIGN. Błędy wyrównania nieuchronnie wystąpią, gdy podobieństwo sekwencji spadnie poniżej 30% i w takich przypadkach użytkownik musi dokładnie sprawdzić i skorygować wyrównanie sekwencji w zakładce WYRÓWNAJ. Błędy wyrównania mogą skutkować nieprawidłowymi nałożonymi strukturami na karcie DOPASOWANIE i zamaskować najistotniejsze zmiany konformacyjne dla kolejnego PCA. Ponadto użytkownik powinien być świadomy brakujących reszt w wybranych strukturach PDB, ponieważ w obecnej implementacji PCA można wykonać tylko na resztach białkowych, w których wszystkie struktury mają odpowiadający im atom węgla alfa. W rezultacie, jeśli wybrany PDB ma nierozwiązane reszty dla określonego regionu białka, region ten zostanie pominięty w PCA.
Bio3D-web jest obecnie ograniczony do analizy jednołańcuchowych struktur PDB. W związku z tym ruchy funkcjonalne zachodzące na poziomie czwartorzędu nie mogą być badane przy użyciu obecnego protokołu. Chociaż obecnie opracowujemy nowe algorytmy, aby uwzględnić taką analizę w Bio3D-web, jedyną obecną opcją jest konwencjonalne wykorzystanie Bio3D.
Bio3D-web to jedyna aplikacja online, która umożliwia wyszukiwanie i identyfikowanie zbiorów struktur, interpretowanie ich wzorców sekwencji i zmienności strukturalnej oraz wydobywanie informacji mechanistycznych zarówno z analizy, jak i przewidywania ich plastyczności strukturalnej. Szeroka gama narzędzi do wizualizacji molekularnej i serwerów online umożliwia naukowcom badanie i analizowanie poszczególnych struktur biomolekularnych. Jednak istniejące narzędzia do analizy sekwencji, struktury i dynamiki dużych heterogenicznych rodzin białek często wymagają znacznej wiedzy obliczeniowej i zazwyczaj pozostają dostępne tylko dla użytkowników posiadających odpowiednie umiejętności programistyczne. Na przykład pakiet Bio3D wymaga R 8, ProDy wymaga Pythona, a Maven wymaga wiedzy o Matlabie 9,10. Z kolei Bio3D-web nie wymaga wiedzy programistycznej, a tym samym zwiększa dostępność i zmniejsza barierę wejścia do wykonywania zaawansowanych analiz porównawczych sekwencji, struktury i dynamiki. Ponadto przygotowanie, selekcja, adnotacja i czyszczenie struktur molekularnych, które są często niezbędne do efektywnej analizy, są zawarte w usłudze internetowej Bio3D. Dodatkowo, ograniczenie do wykonywania takiej analizy na zasobach obliczeniowych jest złagodzone przez naszą instancję serwerową, która umożliwia analizę wielu struktur na dużą skalę, które mogą być inicjowane i kontrolowane z dowolnej nowoczesnej przeglądarki internetowej.
Otwarty rozwój Bio3D-web jest w toku (patrz https://bitbucket.org/Grantlab/bio3d). Stale dodajemy nowe funkcje analizy i ulepszamy istniejące metody. Przyszły rozwój będzie koncentrował się na dodaniu PCA opartego na macierzy odległości i PCA skrętnego, bardziej rozległych podejściach do zachowania sekwencji, które obejmują komponent filogenetyczny, identyfikację miejsca wiązania zespołu oraz nowych podejściach do dynamicznej analizy sieci w różnych rodzinach białek. Pod tym względem obecna aplikacja internetowa stanowi punkt wyjścia dla wielu innych procesów pracy związanych ze współpracą w zakresie bioinformatycznej analizy strukturalnej, umożliwiając powtarzalne i możliwe do udostępnienia kroki na zdefiniowanych przez użytkownika zestawach struktur eksperymentalnych. Planujemy również w przyszłości wsparcie dla zrekonstruowanych zbiorów współrzędnych jednostek biologicznych oraz pojedynczych i wielokrotnych łańcuchów z jednostki asymetrycznej struktur PDB. Dodatkowe funkcje będą obejmować ulepszone zapisywanie i wczytywanie wspólnych przestrzeni roboczych wraz z możliwością cofania.
Bio3D-web to aplikacja online do interaktywnej analizy danych o strukturze biomolekularnej. Bio3D-web działa w każdej nowoczesnej przeglądarce internetowej i zapewnia funkcjonalność dla: (1) Identyfikacja powiązanych struktur białkowych ustawia się na określone przez użytkownika progi podobieństwa; (2) Ich wielokrotne wyrównanie i superpozycja struktury; (3) Analiza zachowania sekwencji i struktury; (4) Mapowanie relacji między konformerami z analizą głównych składowych oraz (5) porównanie przewidywanej dynamiki wewnętrznej za pomocą zespołowej analizy w trybie normalnym. Ta zintegrowana funkcja zapewnia kompletny przepływ pracy do badania relacji sekwencja-struktura-dynamika w rodzinach białek i nadrodzinach. Oprócz wygodnego, łatwego w użyciu dynamicznego interfejsu do badania efektów wyboru parametrów i metod, Bio3D-web rejestruje również pełne dane wejściowe użytkownika i późniejsze wyniki graficzne sesji użytkownika. Dzięki temu użytkownicy mogą łatwo udostępniać i odtwarzać sekwencję kroków analizy, które utworzyły ich wyniki. Bio3D-web jest zaimplementowany w całości w języku R i jest oparty na pakietach Bio3D i Shiny R. Można go uruchomić z naszego serwera online lub zainstalować lokalnie na dowolnym komputerze z uruchomionym językiem R. Obejmuje to instalację serwera lokalnego w celu zapewnienia dostosowanej instancji dla wielu użytkowników z dostępem do priorytetowych zestawów danych strukturalnych, takich jak te powszechne w przemyśle farmaceutycznym. Pełny kod źródłowy i obszerna dokumentacja są udostępniane na licencji open-source GPL-3 od: http://thegrantlab.org/bio3d/webapps

Bank danych o białkach (PDB) zawiera teraz ponad 120 000 struktur białkowych - wiele z nich należy do tej samej rodziny białek, ale zostały rozwiązane w różnych warunkach eksperymentalnych. Te wielorakie struktury stanowią nieocenione źródło informacji o zawiłościach formy i funkcji białek. Na przykład, rygorystyczne porównanie tych zespołów strukturalnych może ujawnić ważne mechanizmy molekularne 1,2,3 i informować o dynamice konformacyjnej związanej z procesami, w tym wiązaniem ligandów, katalizą enzymatyczną i rozpoznawaniem dwucząsteczkowym 4,5,6,7. Nowe informacje można często uzyskać dzięki szczegółowej analizie na dużą skalę sekwencji, struktury i dynamiki rodzin białek. Wymaga to jednak zazwyczaj znacznej wiedzy z zakresu bioinformatyki i programowania komputerowego oraz znajomości badanych układów białkowych. Na przykład pakiety oprogramowania, takie jak Bio3D, ProDy i Maven, wymagają programowania odpowiednio w R, Pythonie i Matlabie 8,9,10. Z drugiej strony, narzędzia online do analizy elastyczności strukturalnej są na ogół ograniczone do badania poszczególnych struktur 11,12. Wyjątkiem pod tym względem jest niedawno opracowany serwer WebNM@, który pozwala na porównanie wzorców elastyczności uzyskanych z analizy w trybie normalnym (NMA) kilku wstępnie wyrównanych struktur określonych przez użytkownika13. Serwer ten nie posiada jednak zautomatyzowanej procedury identyfikacji struktur do porównania, ich wyrównania lub dalszej analizy poza NMA. Innym najnowszym wkładem jest internetowa baza danych PDBFlex, która przedstawia wstępnie obliczoną analizę struktur PDB o łącznej tożsamości sekwencji 95% lub wyższej14. Jednak analiza bardziej zróżnicowanych zestawów konstrukcji nie jest obecnie dostępna.
Wcześniej prezentowaliśmy Bio3D-web - łatwą w użyciu aplikację internetową do analizy zależności sekwencja-struktura białka-dynamika15. Wyjątkowość Bio3D-web polega na dostarczaniu łatwej w użyciu, zintegrowanej funkcjonalności do identyfikacji, porównywania i szczegółowej analizy dużych zestawów struktur homologicznych online. W tym miejscu przedstawiamy szczegółowy protokół badania online relacji sekwencja-struktura-dynamika białek za pomocą Bio3D-web. Bio3D-web zapewnia różnorodne funkcje wspierające pięć głównych etapów analizy danych pokazanych na rysunku 1 i szczegółowo omówionych poniżej. Te kroki składają się na przepływ pracy, który rozciąga się od sekwencji zapytań lub danych wejściowych struktury, przez wiele poziomów analizy sekwencyjno-strukturalnej, aż po generowanie raportu podsumowującego. Wyniki są dostępne natychmiast za pośrednictwem rozbudowanych urządzeń do wizualizacji i wykresów w przeglądarce, a także poprzez pobieranie plików wyników w powszechnie używanych formatach. Oprócz wygodnego, łatwego w użyciu dynamicznego interfejsu do badania wpływu wyboru parametrów i metod, Bio3D-web rejestruje również pełne dane wejściowe użytkownika i późniejsze wyniki graficzne sesji użytkownika w postaci możliwego do udostępnienia powtarzalnego raportu w formatach PDF, DOC i HTML. Sesje użytkownika mogą być zapisywane i ponownie ładowane w przyszłości, a pełne wyniki mogą być pobierane i dalej interpretowane przez pakiet Bio3D R na komputerze lokalnym użytkownika.
Bio3D-web jest zasilany przez pakiet Bio3D R do analizy struktury biomolekularnej, sekwencji i danych symulacji molekularnej 8,16. W szczególności podstawą aplikacji są algorytmy Bio3D do identyfikacji rdzenia sztywnego 8, superpozycja, analiza głównych składowych (PCA) 8 oraz zespołowa analiza w trybie normalnym (eNMA) 16. Korzystamy również z protokołów Bio3D, które zależą od pHMMER 17 do identyfikacji powiązanych struktur białkowych, oraz MUSCLE 18 do wyrównania wielu sekwencji. Adnotacje dotyczące struktury i sekwencji są uzyskiwane za pomocą narzędzi Bio3D z baz danych RCSB PDB 19 i PFAM 20. Bio3D-web może być uruchomiony z naszego serwera online lub zainstalowany lokalnie na dowolnym komputerze z uruchomionym R. Bio3D-web jest otwarty dla wszystkich użytkowników i jest udostępniany bezpłatnie na licencji open source GPL-3 od: http://thegrantlab.org/bio3d/webapps

<table><tbody><tr><td>Bio3D-web</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Strona internetowa</td><td>http://thegrantlab.org/bio3d-web/</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Wymagania</td><td>Przeglądarka</td><td></td><td></td> internetowa</tr></tbody></table>

badanie zależności między sekwencją, strukturą i dynamiką białek za pomocą bio3d-web

Investigating Protein Sequence-structure-dynamics Relationships with Bio3D-web

Demonstrujemy użycie Bio3D-web do interaktywnej analizy danych o strukturze biomolekularnej. Aplikacja internetowa Bio3D-web zapewnia funkcjonalność online dla: (1) Identyfikacja powiązanej struktury białka ustawia się na określone przez użytkownika progi podobieństwa; (2) Ich wielokrotne wyrównanie i superpozycja struktury; (3) Analiza zachowania sekwencji i struktury; (4) Mapowanie relacji między konformerami z analizą głównych składowych oraz (5) porównanie przewidywanej dynamiki wewnętrznej za pomocą zespołowej analizy w trybie normalnym. Ta zintegrowana funkcja zapewnia kompletny przepływ pracy online do badania zależności sekwencja-struktura-dynamika w rodzinach białek i nadrodzinach.

Kinaza adenylanowa (Adk) jest powszechnie występującym enzymem, którego funkcją jest utrzymywanie równowagi między nukleotydami cytoplazmatycznymi, niezbędnymi dla wielu procesów komórkowych. Adk działa poprzez katalizowanie odwracalnego przeniesienia grupy fosforylowej z ATP na AMP. Reakcji tej towarzyszą dobrze przebadane, limitujące szybkość przejścia konformacyjne 3,21. W niniejszej pracy analizujemy wszystkie obecnie dostępne struktury Adk za pomocą Bio3D-web, aby ujawnić szczegółowe cechy i zasady mechanistyczne tych kluczowych przejść.
Analizę Bio3D-web dla Adk możemy rozpocząć od wprowadzenia kodu RCSB PDB dowolnej znanej struktury Adk. Na przykład wprowadzenie identyfikatora PDB 1AKE w panelu A karty SEARCH zwraca 167 struktur o podobnej sekwencji, z których 26 najlepszych zostaje automatycznie wybranych do dalszej analizy (patrz panel B). Adnotacje przedstawione w panelu C wskazują, że wszystkie wybrane struktury pochodzą z E. coli, zostały rozwiązane metodą dyfrakcji rentgenowskiej w różnych grupach przestrzennych, mają rozdzielczość w zakresie od 1,63 do 2,8 Å i zostały współkrystalizowane z różnymi ligandami (w tym bez ligandów, AMP, ADP, MG oraz inhibitorem AP5). Należy zauważyć, że dodatkowe szczegóły adnotacji można wyświetlić, klikając opcję „Show/Hide Columns” w panelu C.
Wielokrotne dopasowanie sekwencji jest wykonywane po wejściu w zakładkę ALIGN. Pierwszy panel zakładki ALIGN wyświetla podsumowanie dopasowania, podając szczegółowe informacje o liczbie wierszy sekwencji (odpowiadającej liczbie struktur PDB), a także o liczbie pozycji (t.j. kolumn dopasowania). Obejmuje to specyfikację liczby kolumn zawierających luki oraz kolumn bez luk. Rysunek po prawej stronie pierwszego wiersza przedstawia schematyczne ujęcie dopasowania sekwencji. Tutaj szare obszary reprezentują pozycje bez luk, natomiast białe obszary w dopasowaniu odpowiadają lukom. Przedstawienie konserwacji sekwencji widoczne jest nad dopasowaniem, gdzie czerwone obszary wskazują pozycje dobrze konserwowane, a białe – mniej konserwowane. Należy zauważyć, że sekwencje na tym rysunku są uporządkowane na podstawie ich podobieństwa określonego przez dendrogram klastrowania po lewej stronie. Drugi panel tej zakładki dodatkowo ułatwia klastrowanie wybranych struktur PDB na podstawie ich sparowanego podobieństwa sekwencji, co może być wizualizowane w formie dendrogramu lub mapy ciepła. Domyślnie wyświetlany jest dendrogram (lub diagram drzewiasty) przedstawiający układ klastrów. Oś y dendrogramu reprezentuje odległość (w kategoriach identyczności sekwencji) między klastrami.
Superpozycja struktur jest wykonywana automatycznie po wejściu w zakładkę FIT. Superponowane struktury, wyświetlane interaktywnie w panelu A, wskazują na obecność stosunkowo sztywnego regionu rdzenia (obejmującego reszty 1-29, 68-117 oraz 161-214; szczegóły znajdują się w panelu „optional core and RMSD details” na dole zakładki FIT). Wyraźnie widoczne są również dwa bardziej zmienne regiony wiążące nukleotydy (reszty 30-67 i 118-167) (Rycina 2). Klasteryzacja oparta na RMSD grupuje te struktury w dwie odrębne konformacje.
Kliknięcie karty PCA wyraźniej pokazuje relację między strukturami pod kątem przemieszczeń tych regionów, które efektywnie zamykają się nad związanymi gatunkami nukleotydów w pokrewnych strukturach (Rysunek 2B i 2C). Większość struktur występuje w formie „zamkniętej” (kolor niebieski na Rysunku 2C) i jest powiązana ze związanym ligandem lub inhibitorem. Z kolei konformacje bardziej „otwarte” są wolne od nukleotydów i inhibitorów. Jest to zgodne z obszernymi badaniami nad strukturą i dynamiką Adk, wskazującymi, że otwarta konfiguracja tych regionów jest niezbędna do wiązania nukleotydów, a konformacja zamknięta do efektywnego przeniesienia grupy fosforanowej i ograniczenia niekorzystnych zdarzeń hydrolizy. Warto zauważyć, że pojedyncza główna składowa (PC) obejmuje 97% całkowitego średniokwadratowego przemieszczenia w tym zestawie struktur Adk i dostarcza jasnego i przekonującego opisu przejścia z formy otwartej do zamkniętej wraz z wkładem poszczególnych reszt w to funkcjonalne przemieszczenie (panel C aplikacji oraz Rysunek 2).
Przejście do karty NMA i zwiększenie liczby struktur uwzględnionych w obliczeniach (poprzez zmniejszenie wartości odcięcia dla filtrowania podobnych struktur) wskazuje, że struktury w stanie otwartym wykazują zwiększoną dynamikę lokalną i globalną w porównaniu do struktur w formie zamkniętej (Rycina 2D oraz panel C aplikacji). Porównanie wyników PCA i NMA dla poszczególnych struktur (panel D) wskazuje, że pierwszy mod wszystkich struktur w formie otwartej wykazuje stosunkowo wysoki stopień pokrycia z PC1 (ze średnią wartością 0,37 ± 0,04). W przeciwieństwie do nich, struktury w formie zamkniętej wykazują niższe wartości (średnio 0,30 ± 0,01). Wartości RMSIP dla struktur w formie otwartej (0,62 ± 0,003) są również wyższe niż dla struktur zamkniętych (0,56 ± 0,008). Ponadto analiza pokrycia pokazuje, że pierwsze mody stanu otwartego są zgodne ze zmianą konformacyjną opisującą różnicę między stanami otwartym a zamkniętym (panel E). Klasteryzacja oparta na wartościach RMSIP ponownie wykazuje spójny podział struktur stanu otwartego i zamkniętego (panel F).
Wszystkie te wyniki łącznie wskazują na istnienie dwóch głównych, odrębnych stanów konformacyjnych Adk. Różnią się one zbiorowym przesunięciem o niskiej częstotliwości dwóch regionów miejsca wiązania nukleotydów, które wykazują różną elastyczność po związaniu nukleotydu.
<img alt="Schemat procesu analizy białek, przedstawiający pięcioetapową sekwencję struktury i dopasowania." src="/files/ftp_upload/55640/55640fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Przegląd Bio3D-web ze zrzutami ekranu kart PCA i NMA. Bio3D-web przyjmuje jako dane wejściowe dostarczoną przez użytkownika strukturę lub sekwencję białka w karcie SEARCH (1). Serwer wyświetla listę pokrewnych struktur, które można wybrać do dalszej analizy. (2) Karta ALIGN umożliwia dopasowanie sekwencji i analizę struktur wybranych w karcie SEARCH. (3) W karcie FIT wszystkie struktury są nakładane na siebie i wizualizowane w 3D wraz z wynikami konwencjonalnej analizy parowej struktur. (4) Analiza głównych składowych zestawu struktur jest przeprowadzana w karcie PCA w celu scharakteryzowania relacji między konformerami. (5) Analizę modów normalnych każdej struktury można przeprowadzić w karcie eNMA, aby zbadać trendy dynamiczne dla dostępnych stanów strukturalnych. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55640/55640fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza struktury białka; wykres PCA, wykres fluktuacji, porównawcze schematy konformacyjne." src="/files/ftp_upload/55640/55640fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Wyniki analizy Bio3D-web kinazy adenylanowej. (A) Dostępne struktury PDB kinazy adenylanowej nałożone na zidentyfikowany rdzeń niezmienny. Struktury są zabarwione zgodnie z grupowaniem opartym na RMSD, dostępnym w zakładce FIT. (B) Wizualizacja głównych składowych jest dostępna w zakładce PCA w celu charakterystyki głównych wariacji konformacyjnych w zbiorze danych. Tutaj trajektoria odpowiadająca pierwszej głównej składowej jest przedstawiona w reprezentacji rurkowej, obrazując wielkoskalowy ruch zamykania białka. (C) Struktury są rzutowane na dwie pierwsze główne składowe na wykresie konformerów, przedstawiającym niskowymiarową reprezentację zmienności konformacyjnej. Każdy punkt (lub struktura) jest zabarwiony zgodnie z kryteriami określonymi przez użytkownika, w tym przypadku zgodnie z wynikami grupowania opartego na PCA. (D) Analiza modów normalnych w zakładce eNMA sugeruje zwiększoną dynamikę lokalną i globalną dla struktur w stanie otwartym (czerwony) w porównaniu ze strukturami w formie zamkniętej (niebieski). <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55640/55640fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Przedstawiono protokół do badania online relacji sekwencja-struktura-dynamika białek za pomocą Bio3D-web.

Badanie zależności między sekwencją, strukturą i dynamiką białek za pomocą Bio3D-web

We demonstrate the usage of Bio3D-web for the interactive analysis of biomolecular structure data. The Bio3D-web application provides online functionality ...

Ogólnym celem Bio3D-web jest umożliwienie interaktywnej analizy sekwencji, struktury oraz różnorodności konformacyjnej rodzin białek. Bio3D-web to nowa aplikacja internetowa, która może pomóc w zrozumieniu zależności między sekwencją, strukturą a dynamiką w obrębie dużych rodzin białek. Główną zaletą Bio3D-web jest to, że zapewnia interaktywną i powtarzalną analizę sekwencji, struktury i dynamiki online, która nie wymaga od użytkownika wcześniejszej wiedzy z zakresu programowania.Aby wprowadzić strukturę do analizy, uzyskaj identyfikator PDB dla kinazy adenylanowej, przeszukując bazę danych białek. Wpisz czteroznakowy identyfikator PDB kinazy adenylanowej lub wklej sekwencję białkową w polu tekstowym panelu wprowadzania struktury lub sekwencji. Kliknij niebieski przycisk wyboru kolejnego trafienia w pierwszym panelu lub po prostu przesuń widok w dół do panelu B wyboru trafień w celu przeprowadzenia dalszej analizy.Upewnij się, że suwak ograniczający całkowitą liczbę dołączonych struktur jest ustawiony na maksymalną wartość, aby uwzględnić wszystkie struktury powyżej progu odcięcia. Obniż próg odcięcia BitScore, aby uwzględnić bardziej odległe trafienia, lub podwyższ go, aby je wykluczyć. Sprawdź szczegóły w tabeli, takie jak nazwa PDB, gatunek i związane ligandy, aby upewnić się, że wybrane trafienia reprezentują odpowiednie struktury.Kliknij kartę wyrównania (align), aby przeprowadzić wyrównanie sekwencji wybranych struktur z karty wyszukiwania (search). Może dojść do wystąpienia błędów w wyrównaniu, szczególnie podczas analizy białek o większym stopniu spokrewnienia, na przykład gdy podobieństwo sekwencji jest niższe niż 30%. Zawsze sprawdzaj i koryguj wyrównanie sekwencji w karcie wyrównania (align). Przejrzyj podsumowanie wyrównania w panelu A (podsumowanie wyrównania).Upewnij się, że obszary zainteresowania są wyrównane i nie są przesłonięte przez luki w jednej lub większej liczbie struktur. Kliknij niebieski przycisk następnej analizy, aby przeprowadzić analizę klastrowania struktur opartą na sekwencji. Następnie kliknij niebieski przycisk następnej konserwacji, aby obliczyć konserwację reszt w poszczególnych kolumnach.Wybierz zestawy wyrównanych struktur, aby wygenerować wykres konserwacji reszt w każdej pozycji wyrównania. Wykonaj superpozycję struktur, przechodząc do karty fit. Upewnij się poprzez inspekcję wizualną, że struktury białek są superponowane w odpowiednich i istotnych obszarach.Kliknij i przeciągnij myszą po strukturze, aby ją obrócić, oraz użyj kółka przewijania do powiększenia. Dostosuj kolorystykę struktur, klikając opcje kolorów. Następnie kliknij niebieski przycisk „next analysis”, aby przeprowadzić grupowanie struktur na podstawie zebranych struktur PDB.Włącz mapę cieplną RMSD w rozwijanym menu opcji wykresu. Kliknij niebieski przycisk nest RMSF, aby wyświetlić zmienność strukturalną każdego resztu, z głównymi elementami struktury drugorzędowej pokazanymi w obszarach marginesu osi X. Przeprowadź analizę głównych składowych, przechodząc do karty PCA.Aby zwizualizować główne składowe, zaznacz pole wyboru show PC trajectory, aby wyświetlić ruchy opisane przez główne składowe za pomocą narzędzia wizualizacyjnego w przeglądarce. Upewnij się, że z pierwszego menu rozwijanego wybrano pierwszą główną składową. Aby zwizualizować ruchy opisane przez inne główne składowe, wybierz odpowiednią PC z menu rozwijanego choose principal component.Zrzutuj poszczególne struktury na dwie wybrane składowe PC, klikając niebieski przycisk następnego wykresu. Upewnij się, że oś X jest ustawiona na pierwszą składową PC, a oś Y na drugą. Aby zrzutować struktury na inne składowe główne, odpowiednio dostosuj numerację PC.Kliknij dowolne pojedyncze punkty na wykresie, aby oznaczyć struktury. Alternatywnie, zaznacz jedną lub więcej struktur w tabeli adnotacji wykresu konformerów PCA poniżej wykresu. Oblicz wkłady poszczególnych reszt w główne składowe, klikając niebieski przycisk następne wkłady reszt.Wykreśl wkłady dodatkowych głównych składowych, wpisując numer PC w polu tekstowym wyboru głównej składowej. Kliknij zakładkę eNMA, aby rozpocząć obliczenia modów normalnych. Dostosuj liczbę struktur, obniżając lub zwiększając wartość progową dla włączenia lub wykluczenia struktur.Kliknij zielony przycisk run ensemble NMA, aby rozpocząć obliczenia analizy modów normalnych. Przewiń w dół do drugiego panelu karty eNMA, o nazwie normal modes visualization, aby uzyskać wizualizację modów normalnych. Kliknij niebieski przycisk next fluctuations, aby obliczyć fluktuacje poszczególnych reszt dla struktur wybranych do analizy modów normalnych zespołu.Przełącz funkcję grupowania według RMSD, aby pokolorować profile fluktuacji na podstawie klastrowania opartego na RMSD. Zaznacz pole wyboru linii rozproszenia, aby wykreślić zgrupowane profile fluktuacji oddzielnie od siebie. Następnie kliknij niebieski przycisk PCA versus NMA, aby obliczyć podobieństwo między poszczególnymi modami normalnymi a głównymi składowymi.Kliknij niebieski przycisk „dalej” na dole, aby wygenerować raport z wynikami analizy, zdefiniowanymi przez użytkownika danymi wejściowymi oraz wybranymi parametrami. Raport można pobrać w formatach PDF, Word i HTML, które umożliwiają udostępnianie. Raport zawiera również link umożliwiający powrót do sesji analizy w późniejszym terminie, którym można podzielić się z innymi współpracownikami.Przedstawiono tutaj dostępne struktury PDB kinazy adenylanowej nałożone na zidentyfikowany niezmienne jądro. Struktury są pokolorowane zgodnie z klastrowaniem opartym na RMSD, dostępnym w zakładce fit. Wizualizacja głównych komponentów jest dostępna w zakładce PCA w celu scharakteryzowania głównych wariacji konformacyjnych w zbiorze danych.Tutaj trajektoria odpowiadająca pierwszej składowej głównej jest przedstawiona w reprezentacji rurkowej, ukazującej wielkoskalowy ruch zamykania białka. Struktury są rzutowane na dwie pierwsze składowe główne na wykresie konformerów, który przedstawia niskowymiarową reprezentację zmienności konformacyjnej. Każda kropka lub struktura jest zabarwiona zgodnie z określonymi przez użytkownika kryteriami, w tym przypadku według wyników grupowania opartego na PCA.Analiza modów normalnych w zakładce eNMA sugeruje zwiększoną dynamikę lokalną i globalną dla struktur w stanie otwartym w porównaniu ze stanem zamkniętym. Bio3D-web może być wykorzystywany do badania zestawów sekwencji i struktur oraz pomagać w zrozumieniu ogólnych trendów w interesującej nas rodzinie białek w ciągu kilku minut. Bio3D-web pomógł mi w analizie strukturalnej superrodziny kinezyn.Bio3D-web oferuje kompletny przepływ pracy do w pełni spersonalizowanych badań nad zależnościami między sekwencją, strukturą a dynamiką. Przepływ ten zapewnia funkcjonalność mapowania relacji między konformacjami za pomocą PCA oraz ilościowe porównywanie dynamiki lokalnej i globalnej w dużych zbiorach heterogenicznych struktur z wykorzystaniem zespołowej NMA. Przewiduje się, że większość badaczy będzie wykorzystywać Bio3D-web do zrozumienia ogólnych trendów w interesującej ich rodzinie białek, co może następnie stanowić podstawę do dalszych, specjalistycznych analiz.Bio3D-web został zatem zaprojektowany jako narzędzie do generowania hipotez z możliwością udostępniania raportów podsumowujących, które zawierają wszystkie zdefiniowane przez użytkownika parametry. Wyniki z Bio3D-web można również pobrać; są one w pełni kompatybilne z pakietem Bio3D-R, co umożliwia przeprowadzenie dalszych, pogłębionych analiz. Obecnie dostępnych jest wiele struktur dla danej rodziny białek, często wyznaczonych w różnych warunkach.Porównanie tak licznych struktur może dostarczyć informacji o mechanizmach strukturalnych kluczowych dla ich funkcji, takich jak wiązanie ligandów, kataliza i regulacja allosteryczna. Bio3D-web jest powszechnie dostępny i łatwy w obsłudze, nie wymaga instalacji żadnego specjalistycznego oprogramowania ani nauki nowego języka programowania. Bio3D-web jest obsługiwany przez wszystkie główne przeglądarki.Pełny kod źródłowy oraz instrukcje konfiguracji lokalnej są dostępne bezpłatnie.

investigating-protein-sequence-structure-dynamics-relationships-with

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Biochemia

Region korony różnych sekwencji pętli V3 powierzchniowego glikoproteiny otoczki (gp120) HIV-1 może w wielu przypadkach zostać scharakteryzowany strukturalnie poprzez zwijanie in silico pozycji od 10 do 22 pętli przy użyciu nowoczesnego algorytmu zwijania ab initio. W niniejszej pracy prezentujemy zwijanie i ocenę tego regionu pętli V3 szczepu R2 HIV-1, który jest wyjątkowo wrażliwym na neutralizację szczepem o zagadkowych właściwościach funkcjonalnych.

Ocena immunologicznie istotnych dynamicznych cech struktury trzeciorzędowej sekwencji R2 korony pętli V3 HIV-1 za pomocą zwijania ab initio

Opisano wytyczne dotyczące komputerowej charakterystyki strukturalnej i funkcjonalnej białka z wykorzystaniem potoku I-TASSER. Wychodząc od sekwencji białka zapytania, generowane są modele 3D przy użyciu wielokrotnych dopasowań wątkowych oraz iteracyjnych symulacji montażu strukturalnego. Następnie wyciągane są wnioski funkcjonalne na podstawie dopasowań do białek o znanej strukturze i funkcjach.

Protokół komputerowego przewidywania struktury i funkcji białek

Pakiet oprogramowania 3DNA jest popularnym i wszechstronnym narzędziem bioinformatycznym umożliwiającym analizę, konstrukcję i wizualizację trójwymiarowych struktur kwasów nukleinowych. Niniejszy artykuł przedstawia szczegółowe protokoły dla wybranych nowych i popularnych funkcji dostępnych w 3DNA, które można zastosować zarówno do pojedynczych struktur, jak i zespołów struktur powiązanych.

Analiza i budowanie struktur kwasów nukleinowych przy użyciu programu 3DNA

Opracowaliśmy obliczeniowe metody projektowania białek de novo, które są w stanie zająć się kilkoma ważnymi obszarami projektowania białek. Aby rozpowszechnić te metody, prezentujemy Protein WISDOM, internetowe narzędzie do projektowania białek (http://www.proteinwisdom.org). Zaczynając od szablonu strukturalnego, można zaprojektować białka monomeryczne w celu zwiększenia stabilności i kompleksów w celu zwiększenia powinowactwa wiązania.

Protein WISDOM: Stół warsztatowy do projektowania in silico de novo biomolekuł

Syntetyczne sekwencje białek oparte na motywach konsensusu zazwyczaj ignorują współewoluujące resztki, które implikują zależności interpozycyjne (IPD).  IPD mogą być niezbędne do działania, a projekty, które je ignorują, mogą skutkować nieoptymalnymi wynikami.  Protokół ten wykorzystuje StickWRLD do identyfikacji IPD i pomaga w racjonalnym projektowaniu białek, co skutkuje bardziej wydajnymi wynikami.

Optymalizacja białek syntetycznych: identyfikacja zależności interpozycyjnych wskazujących na strukturalnie i/lub funkcjonalnie powiązane reszty

Spektrometria mas (MS) stała się ważnym narzędziem do badania struktury i dynamiki zespołów makromolekularnych. W tym miejscu integrujemy podejścia oparte na stwardnieniu rozsianym do badania tworzenia kompleksów białkowych i wiązania ligandów.

Analiza architektur białek i kompleksów białko-ligand za pomocą integracyjnej strukturalnej spektrometrii mas

Kluczową umiejętnością w modelowaniu biomolekularnym jest wyświetlanie i opisywanie aktywnych miejsc w białkach. Technika ta została zademonstrowana przy użyciu czterech popularnych darmowych programów do wizualizacji makromolekularnej: iCn3D, Jmol, PyMOL i UCSF ChimeraX.

Modelowanie miejsca aktywnego enzymu za pomocą darmowego oprogramowania do wizualizacji molekularnej

Opisany tutaj protokół zawiera szczegółowe instrukcje, jak analizować interesujące regiony genomu pod kątem potencjału kodowania mikrobiałek za pomocą PhyloCSF w przyjaznej dla użytkownika przeglądarce genomu UCSC. Ponadto zaleca się stosowanie kilku narzędzi i zasobów w celu dalszego zbadania charakterystyki sekwencji zidentyfikowanych mikrobiałek w celu uzyskania wglądu w ich przypuszczalne funkcje.

Zintegrowane podejście do identyfikacji mikrobiałek i analizy sekwencji

Opisujemy metodologię opartą na dywersyfikacji sekwencji w celu oszacowania preferencji aminokwasowych wielospecyficznych miejsc wiązania w interakcjach białko-białko (PPI). W ramach tej strategii tysiące potencjalnych ligandów peptydowych są generowane i badane in silico, pokonując w ten sposób niektóre ograniczenia dostępnych metod eksperymentalnych.

Obliczeniowe przewidywanie preferencji aminokwasów potencjalnie wielospecyficznych domen wiążących peptydy zaangażowanych w interakcje białko-białko

Projektowanie białek polega na budowie sekwencji aminokwasów i włączaniu określonych motywów w celu stworzenia funkcjonalnych wariantów. Takie podejście ma kluczowe znaczenie dla opracowania peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP) do zwalczania patogenów opornych na antybiotyki. W artykule przedstawiono procedurę budowy białek z wykorzystaniem różnych narzędzi bioinformatycznych.

Zastosowanie I TASSER, trRosetta, UCSF Chimera, serwera HADDOCK i lorii HEX do projektowania białek De Novo i In Silico

Poznaj analizę sekwencji, struktury i dynamiki białek za pomocą Bio3D-web. Narzędzie umożliwia interaktywne badanie rodzin białkowych bez wiedzy programistycznej.

Badanie zależności między sekwencją, strukturą i dynamiką białek za pomocą Bio3D-web

Przeglądaj więcej filmów