PathWhiz er en omfattende, online vej tegning værktøj til at generere biokemiske og biologiske veje. Det bruger offentligt tilgængelige databaser og let udvides paletter, der består af pre-trukket pathway komponenter. Denne protokol beskriver, hvordan man nemt bygge nye veje, kopiere og redigere eksisterende veje, og udbrede tidligere trukket veje til forskellige organismer.
PathWhiz er en web-server bygget til at lette oprettelsen af farverige, interaktive, visuelt tiltalende pathway diagrammer der er rige på biologisk information. De veje, der genereres af denne online ansøgning er maskinlæsbare og fuldt kompatible med stort set alle web-browsere og operativsystemer. Det bruger en specielt udviklet, web-aktiveret pathway tegning interface, der tillader Valg og placering af forskellige kombinationer af præ-trukket biologiske eller biokemiske enheder at skildre reaktioner, interaktioner, transportprocesser og bindende begivenheder. Denne palet af enheder består af kemiske forbindelser, proteiner, nukleinsyrer, cellulære membraner, subcellulære strukturer, væv og organer. Alle de visuelle elementer i det kan interaktivt justeres og tilpasses. Desuden fordi dette værktøj er en web-server, alle veje og pathway elementer er offentligt tilgængelige. Denne form for sti "crowdsourcing" betyder, at PathWhizallerede indeholder en stor og hastigt voksende samling af tidligere trukket stier og pathway elementer. Her beskriver vi en protokol for den hurtige og lette oprettelsen af nye veje og ændring af eksisterende veje. For yderligere at lette vej redigering og skabelse, værktøjet indeholder replikation og formering funktioner. Den replikering funktion kan eksisterende veje, der skal bruges som skabeloner til at oprette eller redigere nye veje. Udbredelsen funktion gør det muligt at tage en eksisterende sti og automatisk udbrede det på tværs af forskellige arter. Pathways er oprettet med dette værktøj kan være "re-stylet" i forskellige formater (Kegg-lignende eller tekst-bog lignende), farvet med forskellige baggrunde, der eksporteres til BioPAX, SBGN-ML, SBML eller PWML dataudvekslingsformater, og downloades som PNG eller SVG-billeder. Veje kan nemt indarbejdes i online databaser, integreret i præsentationer, plakater eller publikationer, eller udelukkende anvendes til online visualisering og udforskning. Denne pRotocol er blevet anvendt med succes til at generere over 2.000 pathway diagrammer, som nu findes i mange online-databaser, herunder HMDB, DrugBank, SMPDB, og ECMDB.
Biologiske pathway diagrammer er ligesom planer for livet forskere. De er måske den mest præcise og informative ruter for skildrer biologiske processer og de kontekstuelle sammenhænge mellem gener, proteiner og metabolitter. Dette skyldes, at billederne er meget mere effektivt behandlet og ofte langt mere let forståeligt mennesker end tekst 1. Kvaliteten, detalje, og indholdet af pathway diagrammer kan variere betydeligt. Disse forskelle afhænger ofte på formål af vejen og færdigheder vejen kunstner. Veje skabt til uddannelsesmæssige formål såsom vægkort eller lærebøger ofte skabt af professionelle kunstnere. Som et resultat er disse pathway diagrammer er meget mere visuelt tiltalende og tilbyde betydeligt mere biologisk detaljer med afbildninger af metabolit strukturer, subcellulære komponenter, cellestrukturer, væv og organer. Disse "lærebog" repræsentationer omfatter ofte detaljerede noter ogkommentarer. På den anden side, pathway diagrammer designet til internet applikationer ofte nødt til at ofre artisteri og visuel rigdom til fordel for forenklede maskinlæsbare "ledninger" diagrammer. Disse wireframe diagrammer er lettere billede-kortlagt og hyperlinks. Forenklet pathway diagrammer er grundlaget for sådanne populære online pathway databaser som Kegg 2, MetaCyc 3, Wikipathways 4, og Reactome fem. Fremkomsten af computer-kompatible pathway databaser har også ført til fremkomsten af computer-kompatible vej tegneværktøjer. Med andre ord, man ikke behøver at være en professionel kunstner eller en professionel programmør til at generere brugbare pathway diagrammer. For eksempel BioCyc s Pathway værktøjer 6 og Wikipathway s PathVisio software 7 giver brugerne mulighed for frit at generere og dele maskinlæsbare veje i BioPAX 8 and / eller HTML-format. Derudover er der en række andre enkeltstående freeware pakker samt kommercielle pakker, der understøtter dannelsen af forskellige maskinlæsbare, wire-frame veje, såsom Cytoscape 9, GenMAPP 10, PathCase 11, og VisANT 12.
Forenklingen af internet pathway diagrammer stort set voksede fra de historiske begrænsninger, der findes i mange web-browsere og web-baserede rendering værktøjer. Men betydelige fremskridt i web-teknologier er blevet gjort, i de seneste par år. Dette antydede, at det kunne være muligt at generere interaktive, internet-kompatible pathway diagrammer, der er lige så farverig, lige så æstetisk tiltalende og lige så biologisk komplet som dem, der findes i lærebøger. Dette arbejde førte til udviklingen af PathWhiz. PathWhiz blev gennemført ved hjælp af en Ruby on Rails (http://rubyonrails.org version 4.2.0) web framework indarbejde en MySQL relationsdatabase (https://www.mysql.com version 5.1.50) til at styre alle de pathway data, herunder enhed relationer, eksterne referencer, beskrivelser, visualisering specifikationer og kemiske strukturer. Front-end web-klient er kontrolleret af Ruby on Rails kombineret med Backbone.js (http://backbonejs.org version 1.0.0) som front-end web ramme for redaktøren.
Oprindeligt udviklet til datasikring af det humane kun lille molekyle Pathway Database (SMPDB) 13, har PathWhiz 14 siden blevet udvidet til at støtte pathway generation for mange andre organismer og til at fungere som en generel pathway billede og videndatabase. Især denne web værktøj giver mulighed for at skabe det fulde spektrum af biokemiske / biologiske veje, herunder metaboliske, protein interaktion, molekylær signalering, fysiologiske og narkotika / smitteveje. Denne vej tegneværktøj adskiller sig fra de fleste andrepathway genererende værktøjer i tre store måder: 1) det er en web-server i stedet for en enkeltstående, installeres softwarepakke; 2) den støtter den lette produktion og interaktive visualisering af kemiske forbindelser, proteiner, nukleinsyrer, cellulære membraner, subcellulære strukturer, væv og organer; og 3) det giver brugerne mulighed for nemt at låne, bygge eller forbedre arbejdet med andre brugere, hvorved "crowd-fremskaffede" sti generation. Som en web-server, det har flere fordele i forhold downloades, platform-specifikke softwareværktøjer. Især det er foreneligt med enhver platform, operativsystem og moderne webbrowser. Hertil kommer, at det ikke kræver, at brugeren at tilmelde sig for at begynde at oprette en sti (selvom brugere frit kan oprette en "privat konto" for at spore og kontrollere tilgængeligheden af de veje, de skaber). Måske den mest tiltalende træk ved dette værktøj er mængden af biologiske og biokemiske detalje, der let kan tilsættes tilenhver vej gennem en palet af præ-renderet billeder og en omfattende database af protein og biokemiske data. Dette giver både "ikke-kunstnere" og "ikke-programmører" for nemt at oprette farverige, æstetisk tiltalende og rigt detaljerede veje, der er web-kompatibel og fuldt maskinlæsbare. En mere detaljeret sammenligning mellem PathWhiz og andre pathway tegneværktøjer er tilvejebragt i tabel 1.
En række populære life science-databaser har allerede brugt denne vej tegneværktøj til at oprette databasen specifikke, online, interaktive pathway diagrammer. For eksempel Escherichia coli metabolomet Database (ECMDB) 15 for nylig opdateret sin vej bibliotek med mere end 1.650 veje trukket hjælp webbaseret værktøj. Hver vej i ECMDB vises nu som en rigt farvet, fuldt hyperlink kort billede med detaljerede metabolit og protein struktur skildringer, samt en forenklet sort og hvid Kegg-like wire diagram. Denne store vej opdatering førte til opdagelsen af mange mellemliggende metabolitter, havde ikke tidligere er blevet medtaget i andre Escherichia coli metaboliske databaser. Andre databaser, såsom Human metabolomet Database (HMDB) 15, ikke kun stole på PathWhiz veje til at skildre og beskrive metaboliske og signalveje, men også at skildre de metaboliske ændringer, der er involveret i sygdomme som kræft. HMDB omfatter i øjeblikket 101 metaboliske veje, 376 narkotika action veje, 233 sygdom-associerede veje og 16 signalveje, alle genererede via denne web-værktøj.
Følgende protokol beskriver i detaljer, hvordan PathWhiz kan anvendes til nemt at oprette, kopiere, og udbrede biokemiske veje til en række forskellige formål og anvendelser.
Den her beskrevne for at skabe en enkel metabolisk vej (TCA cyklus) protokol kan tilpasses til at skabe en bred vifte af maskinlæsbare, biologisk komplekse veje for alle arter. Desuden er denne protokol beskriver også, hvordan man kan kopiere eller udbrede eksisterende veje oprettet af andre brugere. Konstruktion af en vej ved hjælp af dette værktøj kræver gentagne trin-for-trin tilgang af reaktioner, interaktioner, transportprocesser, og sub-veje, som hver er forbundet med overlappende elementer. Sætte alle disse sammen tillader en at skabe farverige, visuelt tiltalende pathway diagrammer, der giver betydelig biologisk detaljer og nyttige biologisk sammenhæng. De i denne protokol er relativt enkel, og den tid det tager at bygge en sti diagram afhænger af størrelsen og kompleksiteten af vejen. Med lidt øvelse, kan de fleste individer gengive en høj kvalitet vej diagram består af omkring 15-20 reaktioner eller processer end flere cellulære komponenter i ca 15 min. En helt ny bruger kan tage op til 30-40 min for at generere en sti af tilsvarende størrelse og kompleksitet. Den nødvendig for at generere en pathway tid er omtrent proportionalt med antallet af reaktioner / processer, der skal gengives.
Oprettelse af en høj kvalitet vej gennem denne web-baseret værktøj afhænger af kvaliteten og detaljeringsgraden af kildematerialet (veje fra bøger, online-databaser, eksperimentelle data, håndtegnede skitser) og kræsenhed af vejen "kunstner". Dem, der ønsker at generere højere kvalitet pathway diagrammer bør være særlig opmærksom på afsnit 1.11, 1.15 og 1.20 i protokollen, da disse afsnit beskrives oprettelse og redigering af reaktions- elementer (reaktanter / produkter, enzymer, kanter, billeder, zoom kasser, etiketter, og membraner). De bedste pathway diagrammer vil intelligent samle oplysninger fra så mange eksisterende fremstillinger af vejen som muligt, herunder dem, der findes i Books, plakater, aviser og online databaser. En anden nøgle til at generere høj kvalitet veje er omhyggeligt kontrollere rigtigheden af de reaktioner, inden du opretter en reaktion (gennem § 1.11 i protokollen). At tage sig tid og kræfter på at sikre de reaktanter, produkter og enzymer involveret (hvoraf mange allerede findes i PathWhiz store database) er korrekt for hver art er meget vigtigt. Det er også vigtigt at være opmærksom på den cellulære placering af reaktionerne og omfatter centrale cellulære eller subcellulære komponenter for at tilvejebringe den korrekte biologiske sammenhæng. Dette kan gøres ved at kontrollere og underbygger reaktionen via online databaser, såsom UniProt. Under alle de nødvendige oplysninger ved hånden, sammen med en rå, håndtegnet skitse af vejen, der skal oprettes i høj grad vil reducere fejl og den samlede tid brugt på tegning eller rendering.
Som det kunne forventes, vil større og mere komplekse veje tage længere tid at gengive, particmæssigt, hvis de ønskede elementer og processer ikke allerede er i PathWhiz database. Når man arbejder med større veje, er det normalt klogt at skifte fra Autosave tilstand til Manuel save mode, for at forhindre en lang forsinkelse mellem handlinger. Når replikerende en vej, den tid brugeren kan vente på vejen til at blive genereret, afhænger af antallet af elementer i reaktionsvejen. De fleste veje kan replikeres i omkring 1-2 min. Når formerings en vej, vellykket præstationen af nyligt opformeret pathway afhænger af, hvor ens de to arter er, som PathWhiz bruger BLAST 17 sekvens søger at finde homologe enzymer mellem arter. Større veje vil være langsommere til at udbrede fordi BLAST vil skulle køre på et større antal enzymer. Forsøg på at udbrede veje mellem betydeligt uens arter (sige mellem gær og mennesker) vil resultere i veje blev afsagt med en række ukendte proteiner. Disse "fjernt" propagated veje vil normalt kræve yderligere manuel redigering. På grund af den meget visuelle natur pathway diagrammer og detalje, der kan bringes til en vej, er det altid en god idé at arbejde på en computer med en rimelig stor skærm (> 20 inches eller> 50 cm) og en god internetforbindelse (> 5 Mbps).
Hvis der opstår problemer med rendering eller skærm forfriskende, kan brugeren nødt til at gøre en lille mængde af fejlfinding. Hvis en stor, kompleks vej tager for lang tid at opdatere, kan brugeren nødt til at opdatere siden. Hvis en vej ikke forplanter sig som forventet, kan brugeren nødt til at gøre nogle manuel redigering for at sikre, at alle elementer er vist korrekt. Også, som et mere specifikt eksempel, hvis dele af en reaktion ikke vises, kan brugeren nødt til at sørge for, at alle elementer eller enzymer er korrekt valgt og kanterne er ikke skjult. Den "Hjælp" linket på de vigtigste header kan være nyttigt, hvis der opstår et problem. En tutorial ertilgængelig under "Tutorial" fanen og en brugsanvisning er tilgængelig under fanen "Brugervejledninger". Begge forklare mange af værktøjets funktioner i detaljer. Brugervejledningen kan bruges til fejlfinding eller forklare potentielle begrænsninger for en bestemt funktion, som når en bruger låser en vej og senere ønsker at redigere den.
Som fremhævet gennem denne protokol og gennem eksempler i de medfølgende figurer, dette værktøj tilbyder en række unikke funktioner ikke findes i nogen (eller de fleste) andre pathway tegneværktøjer (se tabel 1). Det første er det fuldt web-baseret og helt platform-uafhængig. For det andet understøtter rendering og facile generation af flerfarvede, biologisk komplekse, visuelt tiltalende, fuldt hyperlinks pathway diagrammer, der også kan konverteres til maskinlæsbare formater (BioPAX, SBGN-ML 18, SBML 19, PWML 14). Tredje, pathway diagrammer slægterted af dette værktøj kan gennemses, søges, udvalgt og let udforskes gennem en nem-at-bruge online-database og visning interface. For det fjerde er det web-værktøj designet til at understøtte fællesskabet pathway bidrag, der giver mulighed for "sti crowdsourcing", der fremmer deling og generering af nye veje og nye pathway elementer.
Pathways genereres af denne webbaseret værktøj kan anvendes til en lang række applikationer. Rigt detaljerede, fuldt hyperlink veje let kan integreres i organisme-specifikke databaser for proteomics, metabolomics eller systemer biologi applikationer. Internet-tilgængelige veje er især nyttige for uddannelsesøjemed, da detaljerne tilgængelige via web-baserede billeder er ofte meget større end hvad der kan vises via et statisk billede eller gennem en enkelt lærebog eller et tidsskrift side. Dette webbaserede værktøj understøtter også generering af pathway repræsentationer, der er mere velegnet til udskrivning og offentliggørelse.Som følge heraf er mange billeder, der genereres af denne web-baseret værktøj vises i papirer, plakater og diaspræsentationer. Eksport af veje i tekstbaserede dataudveksling filformater (såsom BioPAX og SBML) giver mulighed for veje genereret ved hjælp af denne web-server, der skal bruges direkte i datamatisk analyse for systembiologi eller metabolisk modelbygning. Plantemateriale veje mellem arter tillader slutninger, der skal foretages om biologiske processer, især blandt de arter, der er blevet meget nylig sekventeret. Selv om ikke alle eksisterende veje i øjeblikket findes i PathWhiz, at dyrke sin offentlige sti database fortsætter, hvilket fører til fremkomsten af nye, crowd oprindelse pathway samlinger. Disse samlinger vil ikke kun være let udvides til nye arter, vil forhåbentlig føre til en dybere forståelse af deres unikke biologi og biokemi.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke den canadiske Institutes of Health Research (CIHR) og genom Alberta, en division af Genome Canada, om økonomisk støtte.
Computer with colour screen | N/A | N/A | >20 inches or >50 cm |
Internet connection | N/A | N/A | >5 mbps |
Modern web browser | N/A | N/A | Google Chrome (v. 31 and above), Internet Explorer (v. 9 and above), Safari (v. 7 and above), Opera (v. 15 and above) and Firefox (v. 23 and above) |