PathWhiz är en omfattande, online-väg ritverktyg för att generera biokemiska och biologiska vägar. Den använder offentligt tillgängliga databaser och lätt att bygga paletter som består av färdigritade pathway komponenter. Detta protokoll beskriver hur lätt att bygga nya vägar, replikera och redigera befintliga vägar, och propagera tidigare ritade vägar till olika organismer.
PathWhiz är en webbserver byggd för att underlätta skapandet av färgglada, interaktiva, visuellt tilltalande pathway diagram som är rika på biologisk information. Banorna som genereras av denna ansökan online är maskinläsbara och helt kompatibel med i stort sett alla web-läsare och datorns operativsystem. Den använder en specialutvecklad, webbaserad väg ritning gränssnitt som tillåter val och placering av olika kombinationer av färdigritade biologiska eller biokemiska enheter att skildra reaktioner, interaktioner, transportprocesser och bindande händelser. Denna palett av enheter består av kemiska föreningar, proteiner, nukleinsyror, cellmembran, subcellulära strukturer, vävnader och organ. Alla visuella element i den kan interaktivt justeras och anpassas. Dessutom eftersom detta verktyg är en webbserver, alla vägar och pathway element är tillgängliga för allmänheten. Denna typ av reaktionsvägen "publiken sourcing" betyder att PathWhizredan innehåller en stor och snabbt växande samling av tidigare dragna vägar och pathway element. Här beskriver vi ett protokoll för snabb och enkelt skapa nya vägar och ändring av befintliga vägar. För att ytterligare underlätta vägen redigering och skapande, innehåller verktyg replikering och spridningsfunktioner. Replikerings funktionen kan befintliga vägar kan användas som mallar för att skapa eller redigera nya vägar. Utbrednings funktion gör att man kan ta en befintlig väg och automatiskt sprida den över olika arter. Vägar som skapats med detta verktyg kan vara "re-stil" i olika format (Kegg liknande eller lärobok liknande), färgad med olika bakgrunder, som exporteras till BioPAX, SBGN-ML, SBML eller PWML format för datautbyte, och laddas ned som PNG eller SVG-bilder. Banorna kan lätt införlivas i online-databaser, integreras i presentationer, affischer eller publikationer, eller används uteslutande för online-visualisering och utforskning. denna protocol har framgångsrikt tillämpats för att generera över 2000 pathway diagram, som nu finns i många online-databaser, inklusive HMDB, DrugBank, SMPDB och ECMDB.
Biologiska pathway diagram är som ritningar för livs forskare. De är kanske den mest koncisa och informativa vägar för att visa biologiska processer och kontextuella kopplingar mellan gener, proteiner och metaboliter. Detta beror på att bilderna mycket mer effektivt behandlas och ofta mycket mer lättförståeligt för människor än text en. Kvaliteten, detalj, och innehållet i pathway diagram kan variera avsevärt. Dessa skillnader beror ofta på det avsedda ändamålet med banan och kompetensen hos vägen artist. Vägar skapas för utbildningsändamål såsom planscher eller läroböcker är ofta skapade av professionella konstnärer. Som ett resultat av dessa pathway diagram är mycket mer visuellt tilltalande och erbjuder betydligt mer biologiskt detalj med full skildringar av metabolit strukturer, subcellulära komponenter, cellstrukturer, vävnader och organ. Dessa "lärobok" representationer innehåller ofta detaljerade anteckningar ochkommentarer. Å andra sidan, pathway diagram avsedda för Internetapplikationer har ofta offra artisteri och visuell klarhet i förmån för förenklade maskinläsbara "ledningar" diagram. Dessa wireframe diagram är lättare bildkartläggs och hyperlänk. Förenklade pathway diagram är grunden till dessa populära online pathway databaser som Kegg 2, MetaCyc 3, Wikipathways 4, och Reactome 5. Framväxten av dator kompatibel pathway databaser har också lett till uppkomsten av dator kompatibel väg ritverktyg. Med andra ord, behöver man inte vara en professionell konstnär eller en professionell programmerare att generera användbara pathway diagram. Till exempel, BioCyc s Pathway verktyg 6 och Wikipathway s PathVisio programvara 7 tillåter användare att fritt skapa och dela maskinläsbara vägar i BioPAX 8and / eller HTML-format. Dessutom finns det ett antal andra fristående gratisprogram samt kommersiella paket som stöder generering av olika maskinläsbar, wire-frame vägar, såsom Cytoscape 9 GenMAPP 10, PathCase 11, och VisANT 12.
Förenklingen av Internet pathway diagram växte till stor del från de historiska begränsningar som finns i många webbläsare och webbaserade rendering verktyg. Däremot har betydande framsteg inom webbteknik gjorts under de senaste åren. Detta tyder på att det skulle kunna vara möjligt att skapa interaktiva, internetkompatibla pathway diagram som är lika färgstark, lika estetiskt tilltalande och lika biologiskt komplett som de som finns i läroböcker. Detta arbete ledde till utvecklingen av PathWhiz. PathWhiz genomfördes med hjälp av en Ruby on Rails (http://rubyonrails.org, version 4.2.0) web framework införliva en MySQL relationsdatabas (https://www.mysql.com, version 5.1.50) för att hantera alla vägen data, inklusive företagets relationer, externa referenser, beskrivningar, visualisering specifikationer och kemiska strukturer. Front-end webbklient styrs av Ruby on Rails i kombination med backbone.js (http://backbonejs.org, version 1.0.0) som webbramverk för redaktören front-end.
Utvecklades ursprungligen för curation av den mänskliga endast liten molekyl Pathway Database (SMPDB) 13, har PathWhiz 14 sedan utökats till att stödja vägen generation för många andra organismer och för att fungera som en allmän väg bild och kunskapsdatabas. I synnerhet tillåter detta webbverktyg för att skapa ett komplett utbud av biokemiska / biologiska vägar inklusive metaboliska, proteininteraktioner, molekylära signaleringen, fysiologiska och läkemedel / sjukdomsvägar. Denna väg ritverktyg skiljer sig från de flesta andraväg genere verktyg tre huvudsakliga sätt: 1) det är en webbserver snarare än en fristående, installeras programvarupaket; 2) den stödjer den facile generering och interaktiv visualisering av kemiska föreningar, proteiner, nukleinsyror, cellulära membran, subcellulära strukturer, vävnader och organ; och 3) det tillåter användare att enkelt låna, bygga eller förbättra arbetet med andra användare, vilket gör det möjligt "publiken källkod" -systemet generation. Som en webbserver, har det flera fördelar jämfört med nedladdningsbara, plattformsspecifika mjukvaruverktyg. Framför allt är det förenligt med alla plattformar, operativsystem och modern webbläsare. Dessutom är det inte kräver att användaren registrera sig för att börja skapa en väg (även om användarna fritt kan skapa en "privat konto" för att spåra och kontrollera tillgängligheten av banorna de skapar). Kanske den mest tilltalande inslag i detta verktyg är den mängd biologisk och biokemisk detalj som lätt kan läggas in inågon väg genom en palett av förrenderade bilder och en omfattande databas av protein och biokemiska data. Detta gör att både "icke-artister" och "icke-programmerare" för att enkelt skapa färgstarka, estetiskt tilltalande och detaljrika banor som är webbkompatibla och fullt maskinläsbara. En mer detaljerad jämförelse mellan PathWhiz och andra verktyg pathway dragnings ges i tabell 1.
Ett antal populära life science-databaser har redan använt denna väg ritverktyg för att skapa databasspecifikt, på nätet, interaktiva pathway diagram. Till exempel Escherichia coli Metabolome Database (ECMDB) 15 nyligen uppdaterat sin väg bibliotek med mer än 1.650 vägar dras med hjälp av webbaserade verktyg. Varje väg i ECMDB visas nu som en rikt färgad, fullt hyperlänkade kartbild med detaljerade metabolit och protein struktur skildringar, samt en förenklad svartvit KEGG-like tråd diagrammet. Denna storskaliga väg uppdatering ledde till upptäckten av många mellanliggande metaboliter som inte hade tidigare ingick i andra Escherichia coli metaboliska databaser. Andra databaser, såsom Human Metabolome Database (HMDB) 15, inte bara förlita sig på PathWhiz vägar att skildra och beskriva metabola och signalvägar, men också för att skildra de metaboliska förändringar som är involverade i sjukdomar såsom cancer. HMDB omfattar för närvarande 101 metaboliska vägar, 376 läkemedelsverkan vägar, 233 sjukdomsassocierade vägar och 16 signaleringsvägar, alla genererade genom denna webbverktyg.
Följande protokoll beskriver i detalj hur PathWhiz kan användas för att enkelt skapa, replikera, och propagera biokemiska vägar för en mängd olika syften och tillämpningar.
Protokollet som beskrivs här för att skapa en enkel metaboliseringsväg (TCA-cykeln) kan anpassas för att skapa ett brett utbud av maskinläsbara, biologiskt komplexa vägar för alla arter. Dessutom detta protokoll beskrivs också hur man kan replikera eller propagera befintliga vägar som skapats av andra användare. Konstruera en väg med hjälp av det här verktyget kräver upprepade steg-för-steg tillsatser av reaktioner, interaktioner, transportprocesser, och under vägar, som var och en är förbundna med överlappande element. Att sätta alla dessa tillsammans gör att man kan skapa färgstarka, visuellt tilltalande pathway diagram som ger stor biologisk detaljer och användbar biologisk sammanhang. De steg som beskrivs i detta protokoll är relativt enkla, och den tid det tar att bygga en väg schema beror på storleken och komplexiteten av vägen. Med lite övning kan de flesta individer göra en hög kvalitet väg schema bestående av ca 15-20 reaktioner eller processer end flera cellulära komponenter i ca 15 min. En helt ny användare kan ta upp till 30-40 minuter för att generera en väg av liknande storlek och komplexitet. Den tid som behövs för att generera en väg är ungefär linjärt med antalet reaktioner / processer som måste återges.
Skapa en högkvalitativ väg genom detta webbaserade verktyg beror på kvaliteten och detaljer i källmaterialet (vägar från böcker, online-databaser, experimentella data, handritade skisser) och valarbetare av vägen "artist". De som vill generera högre kvalitet pathway diagram bör ägna särskild uppmärksamhet åt sektioner 1,11, 1,15 och 1,20 i protokollet, eftersom dessa avsnitt beskriver skapa och redigera reaktionselement (reaktanter / produkter, enzymer, kanter, bilder, zoom lådor, etiketter, och membran). De bästa pathway scheman kommer intelligent slå samman information från så många befintliga representationer av vägen som möjligt, inklusive de som finns i Books, affischer, papper och online-databaser. En annan nyckel till att generera högkvalitativa vägar noggrant kontrollera riktigheten av reaktionerna innan du skapar en reaktion (genom avsnitt 1.11 i protokollet). Att ta sig tid och ansträngning för att se till att reaktanter, produkter och enzymer som är involverade (av vilka många redan finns i PathWhiz stora databas) är rätt för varje art är mycket viktigt. Det är också viktigt att vara medveten om den cellulära lokaliseringen av reaktionerna och att inkludera viktiga cellulära eller subcellulära komponenter för att ge rätt biologiska sammanhang. Detta kan göras genom att kontrollera och bekräftar reaktionen genom online-databaser såsom UniProt. Med all den information som krävs till hands, tillsammans med en grov, handritade skiss av vägen som ska skapas kommer att kraftigt minska antalet fel och den totala tid som tillbringas på ritning eller rendering.
Som väntat kommer större och mer komplexa vägar tar längre tid att göra, particbundet, om de önskade elementen och processer inte redan finns i PathWhiz databas. När man arbetar med större vägar, är det oftast klokt att byta från Spara automatiskt läget till det manuella sparläge, för att förhindra en lång fördröjning mellan åtgärder. Vid replikering en väg, den tid användaren kan vänta på vägen som skall genereras beror på antalet element i reaktionsvägen. De flesta vägar kan replikeras i ca 1-2 minuter. När föröknings en väg, framgångsrik tolkning av den nyligen förökade vägen beror på hur lika de två arterna är som PathWhiz använder BLAST 17 sekvens söker att hitta homologa enzymer mellan arter. Större vägar kommer att vara långsammare att propagera eftersom BLAST måste köras på ett större antal enzymer. Att försöka att sprida vägar mellan betydligt olika arter (säga mellan jäst och människor) kommer att resultera i vägar som återges med ett antal okända proteiner. Dessa "avlägset" propagated vägar kräver vanligen ytterligare manuell redigering. På grund av den mycket visuell karaktär pathway scheman och detaljer som kan föras till en väg, är det alltid en bra idé att arbeta på en dator med en ganska stor skärm (> 20 inches eller> 50 cm) och en bra internetuppkoppling (> 5 Mbps).
Om problem med rendering eller skärm uppfriskande påträffas, kan användaren behöva göra en liten mängd felsökning. Om en stor, komplex väg tar för lång tid att uppdatera, kan användaren behöva uppdatera sidan. Om en väg inte fortplanta sig som förväntat, kan användaren behöva göra några manuell redigering för att se till att alla element visas korrekt. Dessutom, som ett mer specifikt exempel, om delar av en reaktion inte visas, kan användaren måste se till att alla delar eller enzymer är korrekt vald och kanterna är inte dolda. länk på huvudrubriken "Hjälp" kan vara användbart om ett problem uppstår. En handledning ärtillgänglig under "Tutorial" -fliken och en användarmanual är tillgänglig under fliken "User Guides". Båda förklara många av verktygets funktioner i detalj. Användarhandboken kan användas för att felsöka eller förklara eventuella begränsningar för en viss funktion, till exempel när en användare låser en väg och senare vill ändra det.
Som framhålls genom detta protokoll och genom exemplen i de bifogade figurerna, erbjuder detta verktyg ett antal unika funktioner som inte finns i någon (eller de flesta) andra verktyg väg ritning (se tabell 1). För det första är det helt webbaserad och helt plattformsoberoende. För det andra, stöder rendering och enkel generering av mångfärgade, biologiskt komplexa, visuellt tilltalande, fullt hyperlänkade pathway diagram som också kan omvandlas till maskinläsbara format (BioPAX, SBGN-ML 18, SBML 19, PWML 14). Tredje, pathway diagram släktenaTed detta verktyg kan bläddras, sökt, utvalda och lätt utforskas genom en enkel att använda online-databas och visningsgränssnitt. För det fjärde banan verktyg för att stödja samhället pathway bidrag, vilket möjliggör "-systemet publiken sourcing" som uppmuntrar utbyte och generering av nya vägar och ny väg element.
Vägar som genereras av detta webbaserade verktyg kan användas för en mängd olika tillämpningar. Rikt detaljerade, fullt hyperlänkade vägar lätt kan integreras i organismspecifika databaser för proteomik, metabolomik och systembiologi applikationer. Internet tillgängliga vägar är särskilt användbara för utbildningssyfte, eftersom detaljerna tillgängliga via webbaserade bilder är ofta mycket större än vad som kan visas via en statisk bild eller genom en enda lärobok eller journal sidan. Detta webbaserade verktyg stöder också generering av pathway representationer som är mer lämpade för utskrift och publicering.Som ett resultat av många bilder som genereras av denna webbaserat verktyg som förekommer i tidningar, affischer och presentationer. Exporterar vägar till textbaserade datautbyte filformat (t.ex. BioPAX och SBML) gör det möjligt för vägar som genereras med hjälp av denna webbservern för att användas direkt i beräknings analys för systembiologi eller metaboliska modelleringsapplikationer. Föröknings vägar mellan arter gör slutsatser göras om biologiska processer, särskilt bland de arter som har mycket nyligen sekvenserats. Även om inte alla befintliga vägar finns för närvarande i PathWhiz, fortsätter sin offentliga väg databas för att växa, vilket leder till uppkomsten av nya, folkmassa anskaffas pathway samlingar. Dessa samlingar kommer inte bara att vara lätt utvidgas till nya arter, de kommer förhoppningsvis att leda till en djupare förståelse för deras unika biologi och biokemi.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka den kanadensiska Institutes of Health Research (CIHR) och Genome Alberta, en division av Genome Canada, för ekonomiskt stöd.
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) |