Investigando a Seqüência de Proteínas - Estrutura-dinâmica Relacionamentos com Bio3D-web
16 de julho de 2017
É apresentado um protocolo para a investigação on-line sobre a relação proteína-estrutura-dinâmica usando Bio3D-web.
O objetivo geral do Bio3D-web é permitir a análise interativa da sequência, estrutura e diversidade de confirmação de famílias de proteínas. Bio3D-web é um novo aplicativo da web que pode nos ajudar a entender as relações entre sequência, estrutura e dinâmica dentro de grandes famílias de proteínas. A principal vantagem do Bio3D-web é que ele fornece análise on-line interativa e reprodutível de sequência, estrutura e dinâmica, não exigindo nenhum conhecimento prévio de programação por parte do usuário.
Para inserir uma estrutura para análise, obtenha o ID PDB da adenilato quinase pesquisando no banco de dados de proteínas. Insira o ID PDB de quatro caracteres para adenilato quinase ou cole uma sequência de proteínas na caixa de texto da estrutura de entrada ou do painel de sequência. Clique no botão azul de seleção de acerto seguinte no primeiro painel ou simplesmente role para baixo até a seleção de acerto do painel B para uma análise mais aprofundada.
Certifique-se de que o controle deslizante limitar o número total de estruturas incluídas esteja definido como seu valor máximo para incluir todas as estruturas acima do corte. Reduza o limite de inclusão do BitScore para incluir ocorrências mais distantes ou aumente-o para excluir. Certifique-se de que as ocorrências selecionadas representem estruturas relevantes inspecionando detalhes da tabela, como nome do PDB, espécies e ligantes ligados.
Clique na guia alinhar para executar o alinhamento de sequência das estruturas selecionadas na guia de pesquisa. Há um surgimento potencial de erros de alinhamento, especialmente ao analisar proteínas mais distantes, como quando a similaridade da sequência está abaixo de 30%Sempre verifique e corrija o alinhamento da sequência na guia de alinhamento. Revise o resumo do alinhamento no painel Um resumo do alinhamento.
Certifique-se de que as regiões de interesse estejam alinhadas e não mascaradas por lacunas em uma ou mais estruturas. Clique no botão azul Próxima análise para executar a análise de agrupamento baseada em sequência das estruturas coletadas. Em seguida, clique no botão azul de próxima conservação para calcular a conservação de resíduos em colunas.
Selecione os conjuntos de estruturas alinhadas para gerar uma plotagem da conservação de resíduos em cada posição de alinhamento. Execute a sobreposição da estrutura inserindo a guia de ajuste. Certifique-se de que as estruturas das proteínas estejam sobrepostas às regiões correspondentes e relevantes por inspeção visual.
Clique e arraste o mouse sobre a estrutura para girar e role para ampliar. Ajuste a coloração das estruturas clicando nas opções de cores. Em seguida, clique no botão azul Próxima análise para executar o agrupamento baseado em estrutura das estruturas PDB coletadas.
Alterne o mapa de calor RMSD no menu suspenso de opções de plotagem. Clique no botão azul aninhar RMSF para visualizar a variabilidade da estrutura de cada resíduo com os principais elementos da estrutura secundária mostrados nas regiões marginais do eixo X. Execute a análise de componentes principais entrando na guia PCA.
Para visualizar os componentes principais, alterne a caixa de seleção mostrar trajetória do PC para visualizar os movimentos descritos pelos componentes principais com a ferramenta de visualização no navegador. Certifique-se de que o componente principal um seja escolhido no primeiro menu suspenso. Para visualizar os movimentos descritos por outros componentes principais, escolha o PC desejado no menu suspenso escolher componente principal.
Projete as estruturas individuais em dois PCs selecionados clicando no botão azul próximo gráfico. Certifique-se de que PC no eixo X esteja definido como um e PC no eixo Y como dois. Para projetar as estruturas em outros componentes principais, ajuste a numeração do PC de acordo.
Clique em qualquer ponto individual na plotagem para rotular as estruturas. Como alternativa, realce uma ou mais estruturas na tabela Anotação de plotagem do conformador PCA abaixo da plotagem. Calcule as contribuições de resíduos para os componentes principais individuais clicando no botão azul próximas contribuições de resíduos.
Plote as contribuições para componentes principais adicionais incluindo o número do PC na caixa de texto escolher componente principal. Clique na guia eNMA para iniciar o cálculo do modo normal. Ajuste o número de estruturas diminuindo ou aumentando o corte para inclusão ou exclusão de estrutura.
Clique no NMA do conjunto de lances de escada verde para iniciar o cálculo da análise de modo normal. Role para baixo até o segundo painel da guia eNMA, chamado visualização de modos normais, para visualização dos modos normais. Clique no botão azul próximas flutuações para calcular as flutuações no sentido do resíduo das estruturas selecionadas para a análise do modo normal do conjunto.
Alterne o cluster por RMSD para colorir os perfis de flutuação por clustering baseado em RMSD. Alterne a caixa de seleção Linhas de propagação para plotar os perfis de flutuação agrupados separados uns dos outros. Em seguida, clique no botão azul próximo PCA versus NMA para calcular a semelhança entre os modos normais individuais e os componentes principais.
Clique no botão azul Avançar na parte inferior para gerar um relatório de resultados de análise, entrada definida pelo usuário e opções de parâmetro. O relatório pode ser baixado nos formatos PDF, Word e HTML compartilháveis. O relatório também inclui um link para revisitar a sessão de análise posteriormente, que também pode ser compartilhado com os colaboradores.
Aqui estão as estruturas PDB disponíveis da adenilato quinase sobrepostas ao núcleo invariante identificado. As estruturas são coloridas de acordo com o clustering baseado em RMSD fornecido na guia de ajuste. A visualização dos componentes principais está disponível na guia PCA para caracterizar as principais variações conformacionais no conjunto de dados.
Aqui, a trajetória correspondente ao primeiro componente principal é mostrada na representação do tubo mostrando o movimento de fechamento em larga escala da proteína. As estruturas são projetadas em seus dois primeiros componentes principais em um gráfico conformador mostrando uma representação dimensional baixa da variabilidade conformacional. Cada ponto ou estrutura é colorido de acordo com os critérios especificados pelo usuário, neste caso, resultados de clustering baseados em PCA.
A análise de modo normal na guia eNMA sugere dinâmica local e global aprimorada para estruturas no estado aberto em comparação com o estado fechado. O Bio3D-web pode ser usado para explorar conjuntos de sequências e estruturas e ajudar a entender as tendências gerais na família de proteínas de interesse em minutos. Bio3D-web ha me ajudou a informar a análise estrutural da superfamília cinesina.
O Bio3D-web fornece um fluxo de trabalho completo para investigação totalmente personalizada de relações dinâmicas de sequência-estrutura. Este fluxo de trabalho fornece funcionalidade para mapeamento de relacionamento de interconformidade com PCA e comparação quantitativa de dinâmicas locais e globais em grandes conjuntos de estruturas heterogêneas usando NMA de conjunto. Prevê-se que a maioria dos pesquisadores use o Bio3D-web para entender as tendências gerais em sua família de proteínas de interesse, o que pode informar análises especializadas adicionais.
O Bio3D-web é, portanto, projetado como uma ferramenta de geração de hipóteses com relatórios resumidos compartilháveis que incluem todos os parâmetros definidos pelo usuário. Os resultados do Bio3D-web também podem ser baixados e são totalmente compatíveis com o pacote Bio3D-R para uma análise mais aprofundada. Muitas estruturas estão agora disponíveis para uma determinada família de proteínas, muitas vezes determinadas sob diferentes condições.
A comparação desse grande número de estruturas pode nos dizer sobre mecanismos estruturais críticos para sua função, como ligação de ligantes, catálise e regulação alostérica. O Bio3D-web é amplamente acessível e fácil de usar, sem nenhuma instalação de software dedicada ou aprendizado de uma nova linguagem de programação. O Bio3D-web é compatível com todos os principais navegadores.
O código-fonte completo e as instruções de configuração para configuração local estão disponíveis gratuitamente.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para usar o Bio3D-web, uma aplicação web projetada para a análise interativa de sequência, estrutura e dinâmica de proteínas. Ele permite que pesquisadores explorem relações dentro de grandes famílias de proteínas sem necessidade de conhecimento de programação.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Dinâmica de proteínas
- Bioinformática
- Biologia Estrutural
Fundamentos
- Compreender as relações entre sequência-estrutura-dinâmica das proteínas é crucial para a pesquisa biológica.
- O Bio3D-web facilita a análise de famílias de proteínas através de uma plataforma interativa.
- A aplicação permite análises reproduzíveis sem experiência prévia em programação.
- Suporta várias análises, incluindo alinhamento de sequência, agrupamento e análise de componentes principais.
Propósito do Estudo
- Fornecer uma ferramenta amigável para analisar sequências e estruturas de proteínas.
- Melhorar a compreensão da diversidade conformacional em famílias de proteínas.
- Permitir que pesquisadores visualizem e interpretem dados complexos de proteínas de forma eficaz.
Métodos Utilizados
- Inserção de estruturas de proteínas usando IDs PDB ou sequências.
- Realização de alinhamento de sequência e análise de agrupamento.
- Conduzindo análise de componentes principais (PCA) para visualização do movimento.
- Geração de relatórios em vários formatos para compartilhamento e análise adicional.
Principais Resultados
- O Bio3D-web permite uma análise detalhada da dinâmica e estrutura das proteínas.
- Recursos interativos melhoram o engajamento e a compreensão do usuário.
- A análise de modo normal revela diferenças dinâmicas entre estados proteicos.
- Ferramentas de visualização ajudam a caracterizar as principais variações conformacionais.
Conclusões
- O Bio3D-web é um recurso valioso para pesquisadores que estudam famílias de proteínas.
- A plataforma simplifica análises complexas, tornando-as acessíveis a um público mais amplo.
- Aplicações futuras podem expandir para incluir análises de proteínas mais diversas.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
Bio3D-web enables biopharma researchers to rapidly explore sequence-structure-dynamics relationships across protein families, supporting target validation and mechanistic de-risking in early discovery. By providing interactive, reproducible analysis without programming barriers, it accelerates hypothesis generation and informs downstream assay development and lead identification efforts. The tool enhances predictive confidence by revealing functional dynamics and conservation patterns critical for prioritizing therapeutically relevant targets.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Identifies conserved structural and dynamic features across homologs to clarify functional sites and allosteric mechanisms.
- Operational Value: Enables rapid interrogation of protein families using only PDB IDs or sequences, reducing dependency on bioinformatics expertise.
- Scientific Value: Maps interconformer relationships via PCA to distinguish functional states relevant to ligand binding or catalysis.
- Operational Value: Supports ensemble normal mode analysis to compare dynamics between protein states, informing mechanistic hypotheses.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates conserved residue maps that can guide epitope selection or active site targeting in assay design.
- Operational Value: Produces shareable reports with standardized parameters, facilitating cross-team alignment on structural inputs for screening campaigns.
- Scientific Value: Reveals dynamic hotspots via residue fluctuation analysis, helping assess target druggability and binding site flexibility.
- Operational Value: Ensures reproducibility of structural superposition and alignment, critical for consistent assay readouts across laboratories.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links sequence variations to structural and dynamic changes, supporting biomarker relevance assessment in disease-associated variants.
- Operational Value: Provides a continuous workflow from family-level analysis to specialized follow-up, enabling translational continuity.
- Scientific Value: Highlights conformational differences between functional states, aiding in mechanism-of-action validation.
- Operational Value: Outputs are compatible with Bio3D-R, allowing seamless transition to deeper computational validation in preclinical models.
Pipeline & Workflow Integration
Bio3D-web fits within the early discovery continuum, supporting target validation through structural insights that inform lead identification and preclinical prioritization by reducing mechanistic uncertainty.
- Discovery Biology: Tests hypotheses about sequence conservation and structural dynamics to clarify target function and de-risk mechanistic assumptions.
- Screening: Prepares standardized structural inputs and conservation profiles that enhance assay design and compound screening readiness.
- Analytics: Delivers quantitative outputs including residue conservation scores, principal component projections, and normal mode fluctuations for objective comparison.
- Translational Research: Connects structural dynamics to functional states, supporting biomarker alignment and mechanism validation when disease-relevant variants are analyzed.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable, shareable platform for ongoing protein family analysis across projects and teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target selection by revealing evolutionarily conserved and dynamically relevant regions.
- Operational Value: Eliminates software installation and programming barriers, enabling broad adoption across multidisciplinary teams.
- Strategic Value: Reduces time-to-insight for structural hypothesis generation, improving capital efficiency in early-stage projects.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted target prioritization by providing structural and dynamic evidence for go/no-go decisions.
Implementation Considerations
- Requires familiarity with structural biology concepts such as RMSD, conservation, and normal modes to interpret outputs correctly.
- Dependent on availability and quality of PDB structures for the target protein family, which may limit applicability for poorly characterized targets.
- Necessitates cross-team agreement on structural cutoffs, alignment parameters, and clustering methods to ensure reproducible comparisons.
- Performance may vary with large structural sets; users should adjust inclusion thresholds based on computational limits and analytical goals.
- Best suited for hypothesis generation rather than definitive structural validation, requiring follow-up with experimental or high-resolution computational methods.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:40
Structure Search and Selection (SEARCH)
6:52
Results: Bio3D-web Analysis of Adenylate Kinase
1:46
Multiple Sequence Alignment Analysis (ALIGN)
2:51
Structure Fitting and Analysis (FIT)
3:52
Principle Component Analysis (PCA)
5:24
Ensemble Normal Mode Analysis (eNMA)
8:01
Conclusion
