Исследование последовательности протеинов-структуры-динамики Отношения с Bio3D-web

Общая цель Bio3D-web заключается в обеспечении интерактивного анализа последовательностей, структур и конформационного разнообразия белковых семейств. Bio3D-web представляет собой новое веб-приложение, которое помогает понять взаимосвязи между последовательностью, структурой и динамикой в пределах крупных семейств белков. Главным преимуществом Bio3D-web является то, что оно обеспечивает интерактивный и воспроизводимый онлайн-анализ последовательностей, структур и динамики, не требуя от пользователя предварительных знаний в области программирования.

Чтобы ввести структуру для анализа, найдите PDB ID аденилаткиназы в базе данных белков. Введите четырехсимвольный PDB ID аденилаткиназы или вставьте последовательность белка в текстовое поле панели ввода структуры или последовательности. Нажмите синюю кнопку выбора хитов (next hit selection) в первой панели или просто прокрутите страницу вниз к панели B выбора хитов (hit selection) для дальнейшего анализа.

Убедитесь, что ползунок ограничения общего количества включенных структур установлен на максимальное значение, чтобы включить все структуры выше порога отсечки. Понизьте порог BitScore для включения более отдаленно родственных попаданий или повысьте его для их исключения. Убедитесь, что выбранные попадания представляют соответствующие структуры, изучив детали таблицы, такие как название PDB, вид и связанные лиганды.

Нажмите на вкладку align, чтобы выполнить выравнивание последовательностей выбранных структур из вкладки search. Возможно появление ошибок выравнивания, особенно при анализе более отдаленно родственных белков, например, когда сходство последовательностей ниже 30%. Всегда перепроверяйте и корректируйте выравнивание последовательностей на вкладке align. Ознакомьтесь с резюме выравнивания в панели A alignment summary.

Убедитесь, что области интереса выровнены и не перекрыты пробелами в одной или нескольких структурах. Нажмите синюю кнопку «next analysis», чтобы выполнить кластерный анализ собранных структур на основе последовательностей. Затем нажмите синюю кнопку «next conservation», чтобы рассчитать консервативность остатков по столбцам.

Выберите наборы выровненных структур, чтобы построить график консервативности остатков в каждой позиции выравнивания. Выполните суперпозицию структур, перейдя на вкладку fit. С помощью визуального осмотра убедитесь, что структуры белков совмещены по соответствующим и релевантным областям.

Нажмите и перетащите структуру мышью для вращения, а также используйте колесико для масштабирования. Измените расцветку структур, выбрав соответствующие варианты цвета. Затем нажмите синюю кнопку «следующий анализ» (next analysis), чтобы выполнить кластеризацию собранных структур PDB на основе их строения.

Переключите тепловую карту RMSD в выпадающем меню параметров графика. Нажмите синюю кнопку nest RMSF, чтобы просмотреть вариабельность структуры каждого остатка, при этом основные элементы вторичной структуры будут отображены в боковых областях оси X. Выполните анализ главных компонентов, перейдя на вкладку PCA.

Чтобы визуализировать главные компоненты, установите флажок «show PC trajectory», чтобы отобразить движения, описываемые главными компонентами, с помощью инструмента визуализации в браузере. Убедитесь, что в первом выпадающем меню выбран первый главный компонент. Для визуализации движений, описываемых другими главными компонентами, выберите нужный PC в выпадающем меню «choose principal component».

Проецируйте отдельные структуры на две выбранные главные компоненты (PC), нажав синюю кнопку перехода к следующему графику. Убедитесь, что для оси X выбрана PC 1, а для оси Y — PC 2. Для проецирования структур на другие главные компоненты соответствующим образом измените номера PC.

Нажмите на любые отдельные точки на графике, чтобы обозначить структуры. В качестве альтернативы выберите одну или несколько структур в таблице «PCA conformer plot annotation» под графиком. Рассчитайте вклад остатков в отдельные главные компоненты, нажав синюю кнопку «next residue contributions».

Постройте графики вкладов для дополнительных главных компонент, указав номер PC в текстовом поле выбора главной компоненты. Перейдите на вкладку eNMA, чтобы запустить расчет нормальных мод. Отрегулируйте количество структур, понизив или повысив пороговое значение для включения или исключения структур.

Нажмите зеленую кнопку run ensemble NMA, чтобы запустить расчет анализа нормальных мод. Прокрутите страницу вниз до второй панели вкладки eNMA под названием normal modes visualization для визуализации нормальных мод. Нажмите синюю кнопку next fluctuations, чтобы рассчитать флуктуации по остаткам для структур, выбранных для ансамблевого анализа нормальных мод.

Переключите параметр «Cluster by RMSD», чтобы раскрасить профили флуктуаций в соответствии с кластеризацией на основе RMSD. Установите флажок «Spread lines», чтобы отобразить сгруппированные профили флуктуаций раздельно друг от друга. Затем нажмите синюю кнопку «Next PCA versus NMA», чтобы рассчитать степень сходства между отдельными нормальными модами и главными компонентами.

Нажмите синюю кнопку «Далее» внизу, чтобы создать отчет о результатах анализа, пользовательских входных данных и выбранных параметрах. Отчет можно скачать в форматах PDF, Word и HTML для последующей передачи. Отчет также содержит ссылку для возврата к сеансу анализа в любое удобное время, которой можно поделиться с коллегами.

Здесь представлены доступные структуры аденилаткиназы из PDB, наложенные на выявленное инвариантное ядро. Структуры окрашены в соответствии с кластеризацией на основе RMSD, представленной на вкладке fit. Для характеристики основных конформационных вариаций в наборе данных доступна визуализация главных компонентов на вкладке PCA.

Здесь траектория, соответствующая первой главной компоненте, представлена в виде трубок, демонстрируя крупномасштабное закрывающее движение белка. Структуры спроецированы на две первые главные компоненты на графике конформеров, который представляет собой низкоразмерное отображение конформационной вариабельности. Каждая точка или структура окрашена в соответствии с заданными пользователем критериями, в данном случае — результатами кластеризации на основе PCA.

Анализ нормальных мод во вкладке eNMA указывает на усиление локальной и глобальной динамики структур в открытом состоянии по сравнению с закрытым. Bio3D-web можно использовать для изучения наборов последовательностей и структур, что позволяет за считанные минуты понять общие тенденции в интересующем семействе белков. Bio3D-web помог мне в проведении структурного анализа суперсемейства кинезинов.

Bio3D-web предоставляет полный рабочий процесс для полностью настраиваемого исследования взаимосвязей между последовательностью, структурой и динамикой. Данный рабочий процесс обеспечивает функциональные возможности для картирования отношений между конформациями с помощью PCA и количественного сравнения локальной и глобальной динамики больших наборов гетерогенных структур с использованием ансамблевого NMA. Предполагается, что большинство исследователей будут использовать Bio3D-web для понимания общих тенденций в интересующем их семействе белков, что в дальнейшем может стать основой для более специализированных анализов.

Таким образом, Bio3D-web разработан как инструмент для выдвижения гипотез с возможностью создания общих отчетов, доступных для обмена, которые включают все определенные пользователем параметры. Результаты из Bio3D-web также доступны для скачивания и полностью совместимы с пакетом Bio3D-R для дальнейшего углубленного анализа. В настоящее время для данного семейства белков доступно множество структур, часто определенных при различных условиях.

Сравнение такого большого количества структур может дать представление о структурных механизмах, имеющих решающее значение для их функционирования, таких как связывание лигандов, катализ и аллостерическая регуляция. Bio3D-web широко доступен и прост в использовании, не требует установки специального программного обеспечения или изучения нового языка программирования. Bio3D-web поддерживается всеми основными браузерами.

Полный исходный код и инструкции по локальной установке доступны бесплатно.