Summary
生体分子モデリングの重要なスキルは、タンパク質中の活性部位の表示とコメント付けです。この技術は、高分子視覚化のための4つの一般的なフリープログラムを使用して実証されています: iCn3D, Jmol, PyMOL, および UCSF ChimeraX.
Abstract
生体分子可視化技術は、構造機能関係や分子相互作用など、生物科学の主要な概念を理解する上で最も重要です。様々なプログラムにより、学習者は3D構造を操作することができ、生体分子モデリングはアクティブな学習を促進し、計算能力を構築し、2次元の教科書画像と生命の3次元の間のギャップを埋めます。この分野の重要なスキルは、タンパク質活性部位をモデル化し、結合相互作用を示す方法で、小分子、またはリガンドと相互作用できる高分子の部分を表示することです。このプロトコルでは、このプロセスを、iCn3D、Jmol/JSmol、PyMOL、UCSF ChimeraXの4つの自由に利用できる高分子モデリングプログラムを用いて記述します。このガイドは、特定のプログラムの基礎を学ぶ学生と、カリキュラムに生体分子モデリングを組み込んだ講師を対象としています。このプロトコルを使用すると、ユーザーは特定の視覚化プログラムを使用してアクティブなサイトをモデル化したり、利用可能なフリープログラムのいくつかをサンプリングしたりできます。このプロトコルで選ばれたモデルは、解糖の第一段階を触媒する酵素ヘキソキナーゼのアイソフォームであるヒトグルコキナーゼです。酵素は、その基質の1つと非反応性基質アナログに結合し、触媒複合体における相互作用を分析することを可能にする。
Introduction
分子世界の表現を理解することは、生体分子科学1の専門家になるために重要である。高分子の紹介は、通常、細胞膜、小器官、高分子などの2次元教科書画像の形で紹介されますが、生物学的現実は、これらは3次元構造であり、その特性を理解するには3Dモデルから意味を視覚化して抽出する方法が必要です。
したがって、上位部門の分子ライフサイエンスコースにおける生体分子視覚リテラシーの発達が注目を集めており、ビジュアライゼーションスキル1、3、4、5、7、8、9の教育と評価の重要性と難度を報告する記事が数多くあります。 .これらの記事に対する反応は、教室の介入の数が増加しており、通常は単一の機関で1学期以内に、分子可視化プログラムとモデルを使用して困難な概念2、10、11、13、14、15をターゲットにしています。 .さらに、研究者たちは、学生が生体分子可視化プログラムおよび/またはモデルを使用して特定のトピック16、17、18、19にアプローチする方法を特徴付けようとしました。私たち自身のグループBioMolVizは、視覚リテラシーのテーマを学習目標と目標に細分化して、そのような介入を導く目標と目的に細分化するフレームワークを説明し、視覚リテラシースキルを測定するための評価の後方設計においてフレームワークを使用するように教員を訓練するワークショップを主導しています。
この研究の中心にあるのは、生体分子可視化のためのプログラムを使用して高分子の構造を操作する能力という重要なスキルです。これらのツールは、さまざまなプラットフォームを使用して個別に開発されました。したがって、操作と使用において、かなりユニークなことができます。このため、プログラム固有の命令が必要となり、ユーザーが使い慣れやすいプログラムを識別することが、継続的な実装を容易に行うことが重要です。
3Dで構造を操作する(モデルの回転、選択、変更)の非常に基本的な点を超えて、タンパク質の活性部位をモデル化することが大きな目標です。このプロセスにより、学習者は、バイオモルヴィズフレームワークによって記述された3つの包括的なテーマ(分子相互作用、リガンド/修飾、および構造機能関係20,21)において理解を深めることを可能にする。
生体分子可視化のためのプログラムの4つの一般的な選択肢は、次のとおりです: Jmol/ JSmol23、 iCn3D24、 PyMOL25、および UCSF キメラ26,27.我々は、キメラに新しい人々がUCSF ChimeraX、プログラムの現在サポートされているバージョンであるキメラ分子可視化プログラムの次世代を使用することをお勧めします。
本プロトコルでは、これら4つのプログラムのそれぞれを用いて、結合基板アナログ複合体(PDB ID:3FGU)を有するヒトグルコキナーゼの活性部位をモデル化し、特定の結合相互作用を示す測定値を表示する方法を示す。モデルは酵素の触媒複合体を表す。触媒前の状態で活性部位を捕捉するために、ATPの非加水分解可能なアナログをグルコキナーゼ活性部位に結合した。このホスホアミノホスホン酸アデニルエステル(ANP)は、この位置で通常のリンと酸素の結合の代わりにリンと窒素の結合を含んでいます。活性部位には、グルコース(モデル内で示されるBCG)およびマグネシウム(MGと表記)も含まれています。また、この構造にはカリウムイオン(K)があり、結晶化溶媒に使用される塩化カリウムから生じる。このイオンは生物学的機能に重要ではなく、活性部位の外側に位置しています。
図1: ATP/ANP構造体 アデノシン三リン酸(ATP)構造と比較してホスホアミノホスホン酸アデニル酸アデニル酸エステル(ANP)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
このプロトコルは、基質アナログ複合体の結合リガンドの選択と結合複合体の5Å内の活性サイト残基の同定を実証し、疎水性およびファンデルワールス相互作用を含む関連する分子相互作用を行うことができるアミノ酸および水分子を捕捉する。
ディスプレイは、最初は漫画表現でタンパク質の大部分を示すために操作され、活性部位アミノ酸残基は、タンパク質の関連する原子を示し、分子相互作用を強調するためにスティック表現で。各プログラムのプロトコルのステップ3の後、これらの表現が適用され、タンパク質のビューはプログラム間で類似しています(図2)。プロトコルの最後に、タンパク質の漫画は、ビューを簡素化し、アクティブなサイトに焦点を当てるために非表示になります。
図2: プログラム間の構造比較 「表現の調整」ステップ(各プロトコルのステップ2または3)に続く各プログラムにおける3FGUの構造の比較。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
CPK着色は、活性部位アミノ酸および結合リガンド29、30に適用される。この着色スキームは、ライン、スティック、ボールとスティック、およびスペース充填表現で示される分子モデルにおける異なる化学元素の原子を区別します。水素は白、窒素は青、酸素は赤、硫黄は黄色、リンはCPKの着色スキームではオレンジ色です。伝統的に、黒はカーボンに使用されていますが、現代ではカーボンカラーリングが異なる場合があります。
水素原子は結晶構造では見えませんが、これらのプログラムはそれぞれその位置を予測することができます。大きな高分子構造に水素原子を加えることは、ビューをあいまいにすることができるため、このプロトコルには表示されません。したがって、水素結合は、これらの構造における2つのヘテロ原子(例えば、酸素から酸素、酸素から窒素へ)の中心から測定することによって示される。
プログラムの概要
ダウンロード可能なグラフィカル ユーザ インターフェイス(GUI): PyMOL (バージョン 2.4.1)、キメラX (バージョン 1.2.5)、および Jmol (バージョン 1.8.0_301) は GUI ベースの分子モデリングツールです。これらの 3 つのインターフェイスは、入力型付きコードのコマンド ラインを備えています。同じ機能の多くは、GUI のメニューとボタンを通じて使用できます。これらのプログラムのコマンド ラインの一般的な機能は、キーボードの上下方向キーを使用して、以前のコマンドを読み込んで再実行する場合です。
Webベースの GUI:iCn3D(I-see-in-3D)は、Web上で3次元の高分子構造や化学物質をインタラクティブに表示するためのWebGLベースのビューアで、別のアプリケーションをインストールする必要はありません。完全な Web バージョンは編集可能なコマンド ログを備えていますが、コマンド ラインは使用しません。JSmol は、Web サイトや Web ブラウザ ウィンドウで使用する JavaScript または HTML5 バージョンの Jmol であり、Jmol との動作に非常に類似しています。JSmol は、アニメーションを含むオンライン チュートリアルを作成するために使用できます。
プロテオペディア31、32、Jmol33の最初の視線、およびミルウォーキーバイオ分子モデリング工学センターのJSmolウェブインターフェース(JUDE)は、Jmolベースのオンライン設計環境34の例である。プロテオペディアウィキは、ユーザーが高分子構造をモデル化し、ウェブサイト35内でこれらのモデルをフィーチャーしたページを作成することを可能にする教育ツールです。JSmolを使用して構築されたプロテオペディアシーンオーサリングツールは、Jmol GUIでは利用できない追加機能を備えたGUIを統合します。
Jmol および iCn3D は Java プログラミング言語に基づいています。JSmol は Java または HTML5 を使用し、PyMOL と ChimeraX は Python プログラミング言語に基づいています。これらの各プログラムは、4桁の英数字PDB ID36、37の下でRCSBタンパク質データバンクからダウンロードすることができるタンパク質データバンクファイルをロードします。最も一般的なファイルの種類は、.pdb拡張子を含むタンパク質データバンク(PDB)ファイルと.cif拡張子を含む結晶学的情報ファイル(CIFまたはmmCIF)です。CIF は、プロテイン データ バンクの既定のファイルタイプとして PDB に置き換わりましたが、両方のファイル形式がこれらのプログラムで機能します。PDBファイルとは対照的に、CIFを使用する場合のシーケンス/構造の表示方法に若干の違いがあります。ただし、ファイルは同様に機能し、相違点についてはここでは詳しく説明しません。分子モデリングデータベース(MMDB)は、国立バイオテクノロジー情報センター(NCBI)の産物であり、カテゴリ情報が関連付けられているPDB構造のサブセット(例えば、生物学的特徴、保存タンパク質ドメイン)38である。iCn3D は、NCBI の製品で、MMDB データを含む PDB ファイルをロードすることができます。
モデルを表示するには、ユーザーは、構造の専用のタンパク質データバンクページから目的のファイルをダウンロードし(例えば、https://www.rcsb.org/structure/3FGU)、その後、プログラムのドロップダウンファイル メニューを使用して構造を開くことができます。すべてのプログラムは、インターフェイスを通じて直接構造ファイルをロードする機能があり、そのメソッドはプロトコル内で詳細に説明されています。
キメラX、Jmol、PyMOL の各 GUI には、コーナーをドラッグしてサイズを変更できるコンソールの 1 つ以上のウィンドウが含まれています。iCn3D と JSmol は完全に Web ブラウザに含まれています。iCn3D を使用する場合、ユーザーは画面のサイズと解像度に応じて、ポップアップ ウィンドウ内をスクロールしてすべてのメニュー項目を表示する必要があります。
ここで詳述するプロトコルは、各プログラムを用いて酵素の活性部位を表示する簡単な方法を提供する。なお、各プログラムでステップを実行する方法は複数ある。たとえば、ChimeraX では、ドロップダウン メニュー、上部のツールバー、またはコマンド ラインを使用して同じタスクを実行できます。特定のプログラムを詳細に学習することに興味があるユーザーは、これらのプログラム39、40、41、42、43、44、45、46で利用可能なオンラインチュートリアル、マニュアル、Wikiを探索することをお勧めします。
これらのプログラムの既存のマニュアルやチュートリアルでは、このプロトコルの項目を個別のタスクとして示します。アクティブなサイトを表示するには、ユーザーはさまざまなマニュアルやチュートリアルから必要な操作を合成する必要があります。この原稿は、分子相互作用を持つラベル付きアクティブサイトをモデリングするための線形プロトコルを提示することによって利用可能な既存のチュートリアルを増強し、他のモデルやプログラムに適用できるアクティブなサイトモデリングのためのロジックをユーザーに提供します。
図3:キメラックスGUI ドロップダウンメニュー、ツールバー、ストラクチャービューア、コマンドラインにラベルが付いたChimeraX GUIインタフェース。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: iCn3D GUI. iCn3D の GUI インターフェイスドロップダウン メニュー、ツールバー、構造ビューアー、コマンド ログ、選択セットのポップアップ、およびシーケンスと注釈のポップアップ メニューのラベルが付いています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5: Jmol GUI ドロップダウンメニュー、ツールバー、ストラクチャービューア、ポップアップメニュー、コンソール/コマンドラインがラベル付けされたJmol GUIインタフェース。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:PyMOL GUI ドロップダウンメニュー、ストラクチャービューア、名前/オブジェクトパネル、マウスコントロールメニュー、コマンドラインラベル付きPyMOL GUIインタフェース。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Protocol
注:各プログラムのプロトコルは、10の包括的なステップで概説されています, (1) プログラムに構造をロードします, (2) アクティブな部位のリガンドを識別する, (3) 表現を調整する, (4) 5 Å内の残基を選択して活性部位を定義する, (5) 活性部位リガンドとの酵素の相互作用を示す, (6) 側面鎖を棒として表示し、活性な位置を示す (7)構造を簡略化し、(8)ラベリングリガンドおよび水素結合側鎖、(9)任意の時点でレンダリングを保存して、その上で作業に戻るか、他の人と共有する、(10)埋め込みまたは印刷するための画像を保存する。ステップ 1、4、7-10 は、各プロトコルで同じです。ただし、各プログラムの固有の動作により、手順 2/3 と 5/6 を交換する場合に、一部のプロトコルの方が効率的に実行されます。
1. UCSF キメラX プロトコル
メモ:トラックパッドとマウスコントロール。回転するには、クリックしてドラッグするか、2 本指でドラッグします(マウス: 左クリックとドラッグ)。ズーム、ピンチとスプレッド(Mac)またはコントロール+2指の動き(PC)(マウス:スクロールホイール)。変換するには(つまり、構造全体を移動)、オプションを押してクリックしてドラッグ(Mac)またはシフト+クリックアンドドラッグ(PC)(マウス:右クリックしてドラッグ)。再センタを再設定するには、インターフェイスの上部にあるドロップダウン メニューを使用して [ アクション] をクリックします> ビュー 。
- 構造を ChimeraX にロードする: "Command:" が付いている GUI の下部にあるコマンド行で、次のように入力します。
オープン 3fgu
メモ:入力した行コマンドを入力した後、キーボードの return キーを押して実行します。 - アクティブサイト内のリガンドを特定する:漫画のリボンとスティックの2つの表現があることを確認してください。マウスを使用して、タンパク質を回転/ズームして、スティックとして表示されるタンパク質の中心付近に表示されるリガンドを最もよく視覚化します。リガンドの上にカーソルを置くと、その名前が表示されます。
- 表現の調整:以下のサブステップのコマンドを使用して、タンパク質とリガンドの色を変更し、CPK着色を非炭素原子に適用してから、選択を解除します。分子の選択した部分が緑色でハイライト表示されます。
- インターフェイスの上部にあるドロップダウン メニューを使用して色を変更します: [アクション] をクリックして 色 >> Cornflower ブルーをクリックします。次に、[ リガンド>構造>選択] をクリックします。色を選択するには、[アクション] をクリック >[色] >グレーCPK の色を適用するには、[ すべて >選択] をクリックし、[ ヘテロ原子>>のアクション] をクリックします。最後に、[選択] をクリックして選択 >クリアします。
注: コントロールを押して、構造ビューアーの黒い背景をクリックするか、コマンド ライン で次のコマンドを入力して選択をクリアすることもできます。デフォルトでは、1~4鎖を含むほとんどの構造では、キメラックスはリガンドとイオンの3.6Å以内に水分子とアミノ酸残基を自動的に表示します。 - ドロップダウンメニューを使用して、アトム /ボンズ>アクションを非表示にして、現在表示されているアトムを非表示に>します。
- ドロップダウンメニューを使用して、リガンドの >構造>選択をクリックして、アクティブサイト内のリガンドとMgイオンを表示します。次に、[ アトム/ボンズ>アクション]をクリック> 表示します。次に、[ MG >>残基の選択] をクリックし、[ アトム/ボンズ>アクション > 表示] をクリックします。選択を解除するには、[ 選択 ] をクリック >クリアします。
注:ドロップダウンメニューで選択を行った後、Atomsツールバーの[非表示]ボタンと[表示]ボタンをクリックして、ステップ1.3.3を実行することができます。
- インターフェイスの上部にあるドロップダウン メニューを使用して色を変更します: [アクション] をクリックして 色 >> Cornflower ブルーをクリックします。次に、[ リガンド>構造>選択] をクリックします。色を選択するには、[アクション] をクリック >[色] >グレーCPK の色を適用するには、[ すべて >選択] をクリックし、[ ヘテロ原子>>のアクション] をクリックします。最後に、[選択] をクリックして選択 >クリアします。
- 5Å内の残基を選択して活性部位を定義する:構造ビューアで、リガンドプレス制御+シフトを選択し、3つのリガンドのそれぞれ、すなわち 、BCG、ANP、および Mgの任意の単一原子または結合にマウスをクリックさせる。
- 次に、キーボードの上矢印キーを押して、3 つのリガンドのすべての原子が緑色の光でハイライト表示されます。この選択を後で使用するために定義するには、ドロップダウン メニューの [セレクタを選択] >クリックします。ポップアップメニューで、次のように入力します。
現在の 選択項目に名前を付け 、[OK]をクリックします。
注: ステップ 1.4.1 で上矢印を何度もクリックすると、タンパク質全体が選択されます。その場合は、3つのリガンドの原子のみが選択されるまで下矢印ボタンをクリックします。 - ドロップダウンメニューを使用して、リガンドの5 Å内の残基を選択します: [>ゾーンを選択] をクリックします。表示されるポップアップ ウィンドウで、[選択] ドロップダウン メニューを [残基]に切り替え、上部のボックスがオンになっていることを確認します (<未満の距離をチェックして 5.0 Å に設定します)。次に 、[OK] をクリックします。5Å未満の残基のみが強調表示されます。
注: 手順 1.4- 1.4.2 は、次のコマンドを入力して、コマンド ラインを使用して、広範囲に簡略化することができます。
名前冷凍リガンド :BGC:MG:ANP
選択ゾーンリガンド5は真の残基を真に拡張する
- 次に、キーボードの上矢印キーを押して、3 つのリガンドのすべての原子が緑色の光でハイライト表示されます。この選択を後で使用するために定義するには、ドロップダウン メニューの [セレクタを選択] >クリックします。ポップアップメニューで、次のように入力します。
- サイドチェーンをスティックとして表示し、アクティブなサイトの水分子を表示/調整する:ドロップダウンメニューを使用して、選択した項目を表示し、選択した部分を中央に表示し、選択した項目をクリックして選択>を拡大表示 >表示します 。選択範囲を中央に配置するには、[ アクション > ビュー] をクリックします。次に、選択を解除するには、[選択] をクリック >クリア するか、空の領域の任意の場所をクリックします。
- 酵素と活性部位リガンドの相互作用を表示する:ドロップダウンメニューを使用して、 リガンド>ユーザー定義セレクタ>選択をクリックします。次に 、H結合>構造解析>ツールをクリックします。ポップアップ ウィンドウで、[ 選択項目による制限] がオンになっていることを確認し、ドロップダウン メニューが [少なくとも 1 つの終端を選択した状態で] に設定され、[Atoms の選択 ] がオンになっていることを確認し 、[OK] をクリックします。選択を解除するには、[ 選択 ] をクリック >クリアします。
注: [ 距離ラベル] ボックスをチェックして、Å のボンドの長さを確認します。ただし、この場合、ビューは非常にビジーになります。最後に、[カラー]ボックスをクリックし、ポップアップウィンドウで新しい色を選択することで、H結合の色を変更できます。 - 構造を簡素化する:漫画の上部ツールバーを使用して漫画を非表示にするか、ドロップダウンメニューをクリックする: 漫画>アクション>非表示.
- 標識リガンドと水素結合側鎖: ステップ 1.4 のように、マウスを使用して、リガンドに水素結合された残基 (破線で接続) を選択します。次に、ドロップダウン メニューで、[アクション] をクリック > [ラベル>残基>名前コンボ] をクリックします。次に、[ リガンド>ユーザー定義セレクタ>選択] をクリックします。次に、[アクション] をクリック >[>残基をオフ >にラベル付けする] をクリックします。最後に、[選択] をクリックして選択 >クリアします。
- 任意の時点でレンダリングを保存して、作業に戻るか、他のユーザーと共有する: ドロップダウンメニューで[ ファイル>保存] をクリックします。場所を選択し、ファイル名を入力して、[ 保存] をクリックします。
注意: フォーマットが次の値に設定されていることを確認してください: ChimeraX セッション *.cxs. - 埋め込みまたは印刷用の画像の保存: まずマウスを使用して、必要に応じて分子の向きを指定します。コマンドラインで入力して背景色を白に変更します。
設定 bgColor 白
最後に、ツールバーの スナップショットアイコン をクリックします。イメージはデスクトップに保存されます。
注: 背景色はドロップダウンメニューでも使用できます。Mac で UCSF キメラX >の環境設定をクリックします。PC の [背景] > [お気に入り] >設定をクリックします。
2. iCn3D プロトコル
メモ: トラックパッドとマウスコントロール:回転するには、クリックしてドラッグします(マウス:左クリックとドラッグ)。ズーム、ピンチ、スプレッド(マウス:スクロールホイールを回転させる)を行います。(つまり、構造全体を移動) をクリックして 2 本の指でドラッグする (マウス: 右クリックしてドラッグ)。中央に移動するには、上部のドロップダウン メニューの [表示] にカーソルを合わせて、[ 中央の選択] をクリックします。
- iCn3D に構造体をロードする: iCn3D Web ベースの 3D ストラクチャービューアに移動し 、3FGU を 入力 MMDB または PDB ID ボックスに入力してファイルをロードします。
- アクティブサイト内のリガンドの識別: ドロップダウンメニューで[分析]にカーソルを合わせて 、[Seq.] と [アノテーション] をクリックします。配列(この場合はタンパク質と化学/イオン/水)は積み重ね表に示されています。下にスクロールして、アクティブサイトリガンドANP、BGC、およびMgがリストされているのを確認します。構造ビューアで、アクティブサイトのリガンド(タンパク質漫画の中央に棒として表示)をポイントして名前を表示します。
- 表現の調整: このプロトコルでは初期調整は必要ありません。
- 5 Å 内の残基を選択してアクティブなサイトを定義する: リガンドを選択するには、[ 選択 ] ドロップダウン メニューを使用して [3D で選択]をクリックします。 残留物 がチェックされていることを確認します。
- リガンドを選択するには、PCのALTボタンまたはMacのオプションボタンを押したまま、マウスまたはトラックパッドを使用して最初のリガンド (BCGなど)をクリックします。次に、コントロールを押して ANP と MG リガンドをクリックして選択に追加します。
注: リガンドは選択されると黄色でハイライト表示されます。 - ドロップダウンメニューを使用してこの選択を保存する:「 選択」>選択 をクリックし、キーボードを使用してポップアップウィンドウ(例えば 、3Ligands)に名前を入力し、 保存をクリックします。[セットの選択] ポップアップ ウィンドウが表示されます。
注: 選択が正しくない場合は、[ 選択の解除] >クリックします。 - リガンドの 5 Å 以内の残基を選択する:ドロップダウンメニューで、[ 距離で選択>]をクリックします。表示されるポップアップメニューで、ブロックに入力して、2番目の項目(半径を持つ球体)を5Åに変更します。ボックスに表示 されている単語をクリックし、右上隅にあるクロス記号をクリックしてウィンドウを閉じます。
注: ステップ 2.4.3 に表示されるポップアップメニューで、最初のセットを入力「選択」のままにし、2 番目のセットを「選択しない」のままにします。 [表示 ]をクリックすると、5 Å 内のアトム/構造が黄色の光でハイライト表示されることに注意してください。 - ドロップダウンメニューを使用して5 Åアクティブサイトを保存する:[選択]にカーソルを合わせて[選択を保存]をクリックし、キーボードを使用してポップアップウィンドウに名前を入力します(例えば、5Ang)、[保存]をクリックします。
- 次に、2 つのセット (5Ang と 3 リガンド) を組み合わせた新しい選択を作成します。 [選択>選択] をクリックし、キーボードを使用して名前 (たとえば5AFull)を入力し、[保存] をクリックします。
- リガンドを選択するには、PCのALTボタンまたはMacのオプションボタンを押したまま、マウスまたはトラックパッドを使用して最初のリガンド (BCGなど)をクリックします。次に、コントロールを押して ANP と MG リガンドをクリックして選択に追加します。
- 酵素と水素結合などの活性部位リガンドとの相互作用を示す: ドロップダウンメニューで分析にカーソルを合わせ、 インタラクションをクリックします。すべての非共有の相互作用の包括的なポップアップメニューが表示されます。
- 「水素結合」および「塩橋/イオン」チェックボックス以外のチェックボックスをすべてオフにします。 3Ligands をクリックして第1セットを選択し、第2セットには 5Ang を選択します。 [3D 表示インタラクション] を読み込んだボックス化されたテキストをクリックします。右上隅にあるクロス記号をクリックしてウィンドウを閉じます。
注: 接触/相互作用は、おそらく誘発双極子誘発双極子相互作用を表し、しばしば表示をビジー状態にします。必要に応じて、任意のタイプの相互作用の距離を変更します。 - 水素結合のみを表示するには、選択セットのポップアップウィンドウで 5Afull をクリックします。次に、ドロップダウン メニューの [分析] にカーソルを合わせ、[表示] をクリック> [ 化学 ] をクリックします。
- 「水素結合」および「塩橋/イオン」チェックボックス以外のチェックボックスをすべてオフにします。 3Ligands をクリックして第1セットを選択し、第2セットには 5Ang を選択します。 [3D 表示インタラクション] を読み込んだボックス化されたテキストをクリックします。右上隅にあるクロス記号をクリックしてウィンドウを閉じます。
- サイドチェーンをスティックとして表示し、アクティブなサイトの水分子を表示/調整する:選択セットポップアップメニューを使用して 、5AFullをクリックします。次に、ドロップダウンメニューで、[ スタイル>サイドチェーン>スティックをクリックします。CPKカラーリングを適用するには、 カラー>アトムをクリックします。最後に、 水>球>スタイル をクリックします(より大きな水分子を好む場合)。
- 構造の簡略化: 選択セットポップアップメニューで 、5AFullをクリックします。次に、ドロップダウン メニューで [ ビュー>選択を表示 ] をクリックします (5AFull バインド サイトを参照してください)。次に、 タンパク質>スティック>スタイル をクリックします(リボンの代わりにスティックとしてタンパク質鎖を表示します)。
- リガンドの炭素原子に対照的な色を付けるには、選択セットポップアップウィンドウで化学物質をクリックします。次に、ドロップダウン メニューで、[ビュー] >選択をクリックします。次に、[3Dで選択>を選択]をクリックします(「原子」がチェックされていることを確認してください)。ステップ 2.4.1 で説明したコントロールを使用して、マウスとキーボードを使用して、BGC および ANP のすべての炭素原子を選択します。次に、ドロップダウンメニューで、シアン>シアン>色>ユニカラー>をクリックします。
- アクティブなサイト全体を再表示するには、[ セットの選択 ] ポップアップ ウィンドウを使用して [5AFull]をクリックします。次に、ドロップダウン メニューの [ ビュー>選択を表示] をクリックします。
- リガンドと水素結合側チェーンのラベリング: 選択セットのポップアップウィンドウを使用して Interface_allを選択し、ドロップダウンメニューで[ 残余数と数>ラベル >の分析] をクリックします。
注: メニュー項目が以前のラベルから既にチェックされている場合でも、ラベルを追加するたびに[残数と番号]を再選択する必要があります。 - 任意の時点でレンダリングを保存して作業に戻るか、他のユーザーと共有する:ドロップダウンメニューで、[ ファイル>共有 リンク] をクリックします。短縮 URL (https://structure.ncbi.nlm.nih.gov/icn3d/share.html?r83NqCz41bu7cmcs8 など) をコピーして、ブラウザーに貼り付けます。
- 埋め込みまたは印刷用のイメージの保存: ドロップダウン メニューの [選択 ] >選択を選択する: ハイライトを切り替える] をクリックします。次に、[ 背景>のスタイル] >白]をクリックします。最後に、 ファイル> iCn3D PNG画像>ファイルを保存 ]をクリックし、目的のサイズを選択します。
3. Jmolプロトコル
- Jmol に構造をロードする: GUI の上部にあるドロップダウン メニューを使用して、構造を持つワークスペースをセットアップするには、[ ファイル> コンソール] をクリックします。次に、[ファイル] > [PDB を取得]をクリックします。ポップアップ ウィンドウで、次のように入力します: 3fgu
次に 、[OK] をクリックします。
注: Jmol コンソールを使用して構造をロードする場合は、次のように入力します。
メモ:入力した行コマンドを入力した後、キーボードの return キーを押して実行します。 - 表示を調整する: ストラクチャービューアウィンドウの任意の場所を右クリック(またはコントロール+クリック)してポップアップメニューを開きます。
- タンパク質を漫画表現に変更するには、ポップアップメニューで、[ 選択>ハローを選択] をクリックします。次に 、[>タンパク質>選択] をクリックします。最後に、 スタイル>スキーム>漫画をクリックします。
注: 選択ハローは、選択したすべての原子の周りに黄色の輪郭(グロー)を配置します。 - 上部のドロップダウン メニューを使用して、[ 表示>水を選択]をクリックして水>非表示にします。次に 、[Atom >なし>表示] をクリックし、[表示] > [なし >>選択] をクリックします。
- タンパク質を漫画表現に変更するには、ポップアップメニューで、[ 選択>ハローを選択] をクリックします。次に 、[>タンパク質>選択] をクリックします。最後に、 スタイル>スキーム>漫画をクリックします。
- アクティブサイト内のリガンドの識別: マウスを使用してアクティブサイトを拡大表示し、サブステップのコマンドを使用してリガンドをスティックとして表示します。
メモ:ファイルをロードすると、リガンド名がJmolコンソールに表示されます。HETATM で選択> ヘテロ>をクリックして、ポップアップメニューを使用して、バインドされたリガンド名を表示することもできます。- マウスでリガンドの上にカーソルを置くと、名前が表示されます。アクティブなサイトは、構造の中心近くにあります。リガンドMG、BGC、およびANPは活性部位に位置する。
- リガンド BCG と ANP を選択します: Jmol コンソールを使用して、次のように入力します。
選択 BGC, ANP - リガンドBCGとANPをスティックとして表示するには、ポップアップメニューを使用して、 スタイル>スキーム>スティックをクリックします。
- アクティブな部位を定義するために5 Å内の残基を選択する:Jmolコンソールで、3つのリガンドの5 Å内の原子を選択するために次のコマンドを入力します。
内を選択する (5, (bgc,anp,mg))- 完全なアミノ酸残基を選択するには、コンソールに次のように入力し 、Enterキーを押します。
選択 (グループ、選択)
注意:Jmolコンソールは5Å内の残基を選択する最良の方法です。
- 完全なアミノ酸残基を選択するには、コンソールに次のように入力し 、Enterキーを押します。
- サイドチェーンをスティックとして表示し、アクティブなサイトの水分子を表示/調整する:右クリックしてポップアップメニューを表示し、 スタイル>スキーム>スティックの上にマウスを合わせます。
注: ステップ 3.5 は、アクティブなサイト側チェーンをスティック表現で示しています。活性部位の水分子を表す構造には、まだいくつかの空のハローがあります。- Jmol コンソールで、次のコマンドを再実行します。
内を選択する (5, (bgc,anp,mg))
注: コマンドを再実行するには、コンソール内をクリックし、コマンドが表示されるまでキーボードの方向キーを使用し、Enter キーをクリックして再実行します。 - 水分子原子を表示するには、次の2つのコマンドを入力して、選択からリガンドとタンパク質を除去します。
グループタンパク質の除去を選択
水ではなくグループヘテロを削除を選択 - 水分子を表示するには、ドロップダウンメニューの 「表示」をクリックします。アトムの上にカーソルを置き 、20%ファンデルワールスをクリックします。緑のマグネシウムイオンはまだスティックとして表示されます。.Jmol コンソールで次のコマンドを入力して、より一般的な球体表現でマグネシウムイオンを表示します。
Mg を選択します。
スペースフィル50% - リガンドを再色付けしてタンパク質と区別する: Jmol コンソールで、リガンドを明るい配色で再表示するコマンドを実行するには、次のように入力します。
(bgc,anp)と炭素を選択する。カラー [211,211,211]
(bgc,anp)と酸素を選択します。カラー [255,185,185]
選択 (bgc,anp) と窒素;カラー [150,210,255]
(bgc,anp)とリンを選択します。カラー [255,165,75]
Mg を選択します。色は薄緑色
- Jmol コンソールで、次のコマンドを再実行します。
- 活性部位リガンドとの酵素の相互作用を示す:Jmolコンソールを使用して、次のコマンドの各行を実行します。
リグビンドを定義する(ANP、BGC、MG)
内を選択する (5, (bgc,anp,mg))
水ではなくグループヘテロを削除を選択- 水素結合を表す線を表示するには、Jmol コンソールで次のコマンドを入力します。
3.3(リグバインドおよび(酸素または窒素))を接続する(選択され、(酸素または窒素)ストラット黄色
次に、コンソールで次のコマンドを入力して、線の太さを変更します。
すべてを選択します。ストラット 0.1;[なし] を選択します
- 水素結合を表す線を表示するには、Jmol コンソールで次のコマンドを入力します。
- 構造の単純化: タンパク質の漫画を非表示にし、選択をクリアするには、Jmol コンソールで次のように入力します。
すべてを選択します。漫画オフ。[なし] を選択します - リガンドと水素結合側チェーンのラベリング: ポップアップウィンドウで、[ 選択原子の選択>を設定] をクリックします。水素結合残基の1つで原子をクリックします。アミノ酸と残基数がコンソールに表示されます。次に、コンソールを使用してラベルを入力します。
ラベル Glu-256 - 任意の時点でレンダリングを保存して、作業に戻るか、他のユーザーと共有する:トップメニューでカメラアイコンをクリックします。ファイル名を入力し、保存する場所を選択します。
注: 書き出された JPEG ファイル(.jpg)には、エクスポート時に表示ウィンドウに表示されるイメージと、モデルの現在の状態の両方に関する情報が含まれます。モデルを再ロードするには、Jmol を開き、保存した JPEG ファイルを Jmol 表示ウィンドウにドラッグします。 - 埋め込みまたは印刷用の画像の保存: Jmol コンソールで、次のように入力して背景を白に色変更します。
背景 白
手順 3.9 のように、カメラアイコンをクリックしてファイルを保存します。
4. PyMOL プロトコル
注:トラックパッドとマウスコントロール:回転、クリックしてドラッグ(マウス:左クリックとドラッグ)。ズームするには、ピンチとスプレッド(マウス:右クリックしてドラッグ)。変換(すなわち、構造全体を移動)、コントロール+クリック&ドラッグ(マウス:コマンド+左クリックとドラッグ)を制御します。再センタリセンタを表示するには、右側のオブジェクトパネルに移動し、[方向] または[中心]をクリックします>。
- 構造を PyMOL にロードする: GUI の上部付近のコマンド行 (「PyMOL>」を参照)に次のように入力します。
フェッチ 3FGU
メモ:入力した行コマンドを入力した後、キーボードの return キーを押して実行します。 - 表現の調整: PyMOL ウィンドウの右側にある名前/オブジェクト パネルで、"3FGU" の右側にある [H > Waters]をクリックします。
- アクティブサイト内のリガンドの識別: まず、上部のドロップダウンメニューをクリックしてシーケンスビューアをオンにします: [シーケンスを表示>。
- リガンド名(BCG、ANP、MG、K)が見つかるまで、グレーのバーを右にスクロールします。
注:2つの表現、漫画のリボンとスティックがあります。リガンドは棒として示される。右下のパネルのマウスコントロールで選択モードを [残渣 ]に設定し 、3ボタン表示 モードを選択します。 - マウスを使用して回転し、リガンドを表示するためにズームします。
- リガンド名(BCG、ANP、MG、K)が見つかるまで、グレーのバーを右にスクロールします。
- 活性部位を定義するために5Å内の残基を選択する:活性部位のリガンドを選択するには、構造ビューアでそれぞれ(BCG、ANP、MG)をクリックします。名前/オブジェクトパネルに新しい選択がポップアップ表示されます。この新しいオブジェクトの右側にある"sele"をクリックし 、A ボタンをクリックし、ポップアップメニューの 「名前を変更 」をクリックします。
注: 不要な選択を解除するには、構造ビューアの空きスペースをクリックして選択を解除します。- キーボードを使用して、構造ビューアーウィンドウの左上に表示される文字 "sele" を削除し、その代わりに次のように入力します。
配 位 子
注: 手順 4.4-4.4.1 は、コマンド ラインを使用して実行できます。種類：
セレリガンド、レスンBGC+ANP+MG - この選択を使用して、最初にリガンドを複製してリガンドの周りの領域を定義し、 リガンドをクリック>A>複製.次に 、sel01 をクリック> 名前を変更>
キーボードを使用して、文字 "se101" を削除し、次のように入力します。
能動 - この選択を変更して 5 Å 内の残基を表示する: [名前/オブジェクト] パネルで、[修正 ] > [5 A、 残基別>を拡張] >アクティブな >をクリックします。次に、これらの残基をスティックとして表示するには、 アクティブな>S>甘草>スティックをクリックします。最後に、 構造ビューア の空きスペースをクリックして、選択を解除します。
注: ステップ 4.4.3 は、コマンド ラインを使用して行うことができます。
セレ活性、バイルはすべてリガンドの5以内
棒を表示, アクティブ
- キーボードを使用して、構造ビューアーウィンドウの左上に表示される文字 "sele" を削除し、その代わりに次のように入力します。
- サイドチェーンをスティックとして表示し、活性部位の水分子を表示/調整する:名前/オブジェクトパネルで リガンド>A>複製をクリックします。選択範囲の名前を変更するには 、[Sel02 > A [ 選択の名前変更 ] をクリック>。構造ビューアの右上に表示される名前変更メニューの文字を削除し、次のように入力します。
active_water- アクティブなサイトの水分子を含む新しい選択を調整するには active_water >、[A >の変更]をクリック>4オングストローム内の>原子の周りを修正します。さらにこれを修正して水分子に制限するには 、[A を修正>をactive_water >クリック>>を溶媒に制限します。 最後に、 ボールとスティック>プリセットactive_water >>をクリックします。
注: GUI では 4 Å 以内で選択できます。ラインコマンドは、水素結合水分子に対して3.3 Åのより適切な距離を選択することができます。球のファンデルワールス半径はGUIでは設定できませんが、「ボールとスティック」の選択は0.5 Åに近いです。
注: ステップ 4.5 から 4.5.1 は、次のコードの各行を入力して、コマンド ラインを使用して実行できます。
選択active_water、((リガンド)3.3前後)および(Resn HOH)
球を表示する、active_water
変更active_water、vdw=0.5
建て直す
- アクティブなサイトの水分子を含む新しい選択を調整するには active_water >、[A >の変更]をクリック>4オングストローム内の>原子の周りを修正します。さらにこれを修正して水分子に制限するには 、[A を修正>をactive_water >クリック>>を溶媒に制限します。 最後に、 ボールとスティック>プリセットactive_water >>をクリックします。
- 活性部位リガンドと酵素の相互作用を示す。アクティブな [A] > ズーム をクリックして、アクティブなサイト >>拡大します。リガンドと活性部位の間の極性接触を見つけるには、リガンドをクリック>、任意の原子に>極性接合を>>を探す。[S > ラベル] をクリックして、距離をラベルとして表示ligands_polar_contacts >。
- 構造を簡素化する:名前/オブジェクトパネルで H>漫画を>3F >GU をクリックして、アクティブサイトにないタンパク質の一部を隠すタンパク質の漫画を非表示にします。次に、名前/オブジェクトパネルで H>ラベルligands_polar_contacts > クリックして、水素結合長のラベルを非表示にします。
- リガンドを着色してタンパク質と区別するには 、C>>CHNOS>リガンド をクリックし、「C」がシアン(水色)であるオプションを選択します。
注: ステップ 4.7.1 は、コマンド ラインを使用して実行できます。種類：
シアン、リガンド
色原子、リガンド&エレムC
- リガンドを着色してタンパク質と区別するには 、C>>CHNOS>リガンド をクリックし、「C」がシアン(水色)であるオプションを選択します。
- ラベリングリガンドと水素結合側チェーン: 名前/オブジェクトパネルで、任意のオブジェクト名の右側にあるボタンで、 アクティブ>L>残基をクリックします。
- 任意の時点でレンダリングを保存して作業に戻るか、他のユーザーと共有する: ドロップダウンメニューで、[ ファイル] > [名前を付けてセッションを保存] をクリックします。次に、ポップアップ ウィンドウで場所を選択し、ファイル名を入力して[ 保存]をクリックします。
- 埋め込みまたは印刷用の画像の保存: まず、[背景を白で表示] をクリックしてドロップダウン メニュー の背景 >を白>に変更>。[ファイル] をクリックして新しいファイルとして イメージをエクスポートする > [PNG 形式でイメージをエクスポート>します。
Representative Results
各プログラムに対して正常に実行されたプロトコルは、アクティブサイト上で分子モデルが拡大され、活性部位の残基とリガンドがスティックとして表示され、タンパク質漫画が隠され、リガンドが対照的な配色で表示されます。相互作用するアミノ酸残基は、その識別子、およびラインで示される水素結合およびイオン相互作用で標識されるべきである。これらの特徴の存在はモデルの目視検査によって決定することができる。
この検査を容易にし、ユーザーがプロトコルの手順を正しく実行したかどうかを判断できるように、各手順に従って構造のイメージを示すアニメーション図を提供しました。キメラックス、iCn3D、Jmol、およびPyMOLの場合、これはそれぞれ 図7-10に示されています。
図7:キメラXプロトコル出力 ChimeraX プロトコルのステップ 1.1 ~1.8 を示すアニメーション図。 こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。
図8:iCn3D プロトコル出力 iCn3D プロトコルのステップ 2.1~2.8 を示すアニメーション図。 こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。
図9: Jmol プロトコル出力 Jmol プロトコルのステップ 3.1~3.8 を示すアニメーション図。 こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。
図10:PyMOLプロトコル出力 PyMOL プロトコルのステップ 4.1~4.8 を示すアニメーション図。 こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。
これらのプロトコルの結果に影響を与える可能性がある最も一般的なエラーは、誤った選択であり、その結果、構造の一部が望ましくないレンダリングで表示されます。これは通常、構造自体または表示メニュー ボタンのいずれかで誤ってクリックした結果です。最適でない結果の例としては、アクティブな部位の外側に残基が棒として表示されているモデルが挙されます。ユーザーは、スティックとして表示された残基を視覚的に検査し、それらが活性部位リガンドの近くにあることを確認することによって、このエラーが発生したかどうかの分析を開始することができます。表示された残基が活性部位リガンドの5Å以内にあるかどうかを評価する高度な方法は、各プログラムに組み込まれた測定ツールを使用して、近くのリガンドと活性部位残基との距離を測定することです。測定ツールはこの原稿の範囲を超えています。ただし、この種の分析を詳しく説明する多くのオンライン チュートリアルを、関心のあるユーザーに紹介することをお勧めします。
PyMOLの名前/オブジェクトパネルを誤ってクリックした結果、このプロトコルの最適でない実行の具体的な例を示します。このエラーは、 図 11に示すように、この表現を使用してアクティブな部位だけを表示するのではなく、タンパク質全体を棒として表示します。
図11: 負の結果 負の結果の例。PyMOLで完全な漫画を誤って選択し、スティックを表示します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
トラブルシューティングを行うには、モデル全体のスティック (名前/オブジェクト パネルに 3FGU というラベルが付いている) を非表示にし、PyMOL の非表示ボタンと表示ボタン/コマンドを使用して、"active" という名前の選択のスティック表現のみを表示する必要があります。このタイプのエラーからモデルを回復することは、ユーザーがモデルのさまざまな部分に対して適切な選択を作成し、効果的に表示および非表示にできるようになると、比較的簡単です。プロトコルを再起動し、別の時間の手順を実行する必要があります。ただし、ユーザーは「オフスクリプト」に進み、モデルを試すことを恐れないことをお勧めします。私たちの経験では、表示エラーを通して作業することで、モデリングプログラムの理解を容易にします。
各プログラムの正常に実行されたプロトコルからの最終的な出力を横に並べて表示する 図 12を参照してください。ビューの向きは、ユーザーが異なるプログラムで作成されたモデルの外観を比較できるように、同様に向けられています。
図12: プログラム間の最終的な構造比較 プロトコルの最後でのアクティブな各サイトレンダリングの構造の比較。A:キメラックス、B:iCn3D、C:Jmol、D:PyMOL。PyMOL活性部位ラベルは、活性部位残基およびリガンド全てを含む。他の出力は、水素結合側鎖のみを標識しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
このプロトコルは、生体分子モデリングのための4つの一般的なプログラムに適用される酵素活性部位のモデリングのための10段階のプロセスを概説する。プロトコルの重要なステップは、活性部位のリガンドを同定し、活性部位を定義するために5Å内の残基を選択し、活性部位リガンドと酵素の相互作用を示す。これは、リガンドを結合する役割を果たすことができる5Å内のアミノ酸残基を定義することを可能にするので、生物学的機能に関連するリガンドを区別することが最も重要です。最後に、プログラムを使用して分子相互作用を表示することで、結合を促進する分子相互作用を理解するために必要なスキルを開発することができます。
コンピュータベースの分子モデリングプロトコルの制限は、特定のコマンドと構文への依存です。生化学的プロトコルは、手順の小さな変化に耐性があるかもしれませんが、手順が密接に付着していない場合、コンピュータベースの調査は大きく異なる最終製品をもたらす可能性があります。これは、特定の出力を実現するためにプログラム固有の構文が必要な場合に、コマンド行インターフェースを使用する場合に特に重要であり、一見意味が少ない句読点または大文字/時表記の変更によってコマンドが失敗する可能性があります。プログラムごとにさまざまな Wiki とマニュアルがあり、ユーザーはコマンドライン入力を検索してトラブルシューティングできます。ユーザーは、コマンド構文の詳細に注意する必要があります。ほとんどの分子可視化プログラムには、インターフェイスの複雑さから Undo コマンドが含まれていますが、undo コマンドは、最後に実行されたステップを常に忠実に逆にしません。したがって、特に新規ユーザーには、現在の稼働状態を保存することが推奨されます。
モデル自体の作成に使用されるデータに、さらに制限が生じる可能性があります。タンパク質データバンクに固有の標準は一定の一貫性を保証しますが、分子可視化プログラムのユーザーはタンパク質レンダリングで予期しない影響を受けることがよくあります。まず、ほとんどの構造は、タンパク質の単一のモデルを提供するX線結晶学を使用して決定されます。ただし、NMR 構造は、一度に 1 つずつ視覚化できる複数のモデルで構成されることがよくあります。第二に、結晶学または極低温電子顕微鏡実験から決定された構造は、その位置を解明できない原子を含み、タンパク質の特定の表現におけるギャップとして現れることである。タンパク質構造は、サイドチェーンの別の立体構造を有し、スティックレンダリングで表示すると、同じアミノ酸骨格から突き出た2つのグループとして現れる。バックボーンの短い部分でさえ、このような代替立体構造を有し、かつ、リガンドが複数の結合構造において活性部位に重ね合わされることがある。
結晶構造の場合、堆積した3D座標は非対称単位のすべての成分を含み、タンパク質結晶の繰り返し単位を再現するのに十分な情報を提供する。時には、この構造は、タンパク質の生物学的に活性な形態と比較して付加的なタンパク質鎖を含むことになる(例えば、胎児ヘモグロビン変異体、PDB ID:4MQK)。逆に、一部のプログラムは、生物学的活性ユニットのすべての鎖を自動的にロードしない場合がある。例えば、SARS-CoV2主プロテアーゼ(PDB ID:6Y2E)は、ChimeraX、PyMOL、およびJmolのこのプロトコルで説明されているコマンドを使用して取り出した場合、生物学的に活性なダイマー(2つのタンパク質鎖で構成される)の半分をロードします。コマンドのわずかな変更は生物学的に活性なダイマーをロードしますが、この検討は初心者のモデリングプログラムユーザーにとって簡単ではないかもしれません。発生する可能性のある別の問題は、活性部位または基板自体の同定にある。結晶学的実験は、様々な分子を用いて行われ、これを最終構造にモデル化してもよい。例えば、硫酸塩分子は、活性部位のリン酸結合部位に結合し得るか、あるいは、そのメカニズムに関係のない他の領域に結合してもよい。これらの分子は、活性部位自体の正しい同定をあいまいにし、それらがメカニズムの一部であることを学生に示唆する可能性さえある。
おそらく、ユーザーはこの手順を他のアクティブ/バインド サイトに適用します。新しいタンパク質活性部位の解析を含む今後の作業でこのプロトコルを適用するには、結合リガンドのどれが機能に関連するかを特定する必要があります。一部のリガンドはタンパク質機能に関連せず、代わりに実験を行うために使用される溶媒または結晶化条件の結果である(例えば、3FGUモデルに存在するカリウムイオン)。主なリガンドは、原稿を参考にして特定する必要があります。実際には、必要に応じて、行コマンド構文を理解すれば、ユーザーは任意の酵素活性部位に目的のモデリングプログラムのプロトコルを適用し、選択した他の高分子をモデル化することができます。
結合基質およびリガンドの同定と分析は、分子機構および構造ベースの薬物設計努力の解明の中心であり、後天性免疫不全症候群(AIDS)およびCOVID-19 47、48、49、50、51、52を含む疾患の治療の改善に直接つながっている.個々の分子可視化プログラムは異なるインターフェースとユーザーエクスペリエンスを提供しますが、ほとんどのプログラムは同等の機能を提供します。バイオ分子可視化リテラシーの開発には、上位レベルの生化学の学生が構造の可視化と、そのような画像4、20、53を生成するためのツールに精通することが重要です。これにより、学生は教科書や雑誌記事の2次元画像の解釈を超えて、構造データ54から独自の仮説をより簡単に開発することができ、将来の公衆衛生問題に対処し、生化学的プロセスの理解を深めるために科学者を育成する準備をします。
要約すると、このプロトコルは、4つの主要な無料の高分子モデリングプログラムを使用して、アクティブなサイトモデリングを詳述しています。私たちのコミュニティBioMolVizは、生体分子モデリングに非ソフトウェア固有のアプローチを採用しています。プログラムの特徴を批判したり比較したりすることを特に避けたが、各プログラムをサンプリングするユーザーは、あるプログラムと別のプログラムで高分子モデリングの特定の側面を好む可能性が高い。本プロトコルで対象となる生体分子可視化ベースの学習目標と目的を詳述したBioMolViz Frameworkを活用し、http://biomolviz.org のBioMolVizコミュニティウェブサイトを通じて生体分子可視化を教え、学習するためのリソースを探求するよう読者に勧めます。
Disclosures
著者らは、本論文に記載されている研究に関連する関連または重要な財政的利益はないと宣言している。
Acknowledgments
この研究のための資金は、国立科学財団によって提供されています:
学部STEM教育助成金の向上(賞#1712268)
学部生物学教育学部における研究連携ネットワーク(賞#1920270)
私たちは、Jmolに関する有益な議論のために、ウェストフィールド大学博士のカルステン・テイスに感謝しています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ChimeraX (Version 1.2.5) https://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax/ | |||
| Computer | Any | ||
| iCn3D (web-based only: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/icn3d/full.html) | |||
| Java (for Jmol) https://java.com/en/download/ | |||
| Jmol (Version 1.8.0_301) http://jmol.sourceforge.net/ | |||
| Mouse (optional) | Any | ||
| PyMOL (Version 2.4.1 - educational): https://pymol.org/2 educational use only version: https://pymol.org/edu/?q=educational |
References
- Loertscher, J., Green, D., Lewis, J. E., Lin, S., Minderhout, V. Identification of threshold concepts for biochemistry. CBE Life Sciences Education. 13 (3), 516-528 (2014).
- Jaswal, S. S., O’Hara, P. B., Williamson, P. L., Springer, A. L. Teaching structure: Student use of software tools for understanding macromolecular structure in an undergraduate biochemistry course: Teaching structure in undergraduate biochemistry. Biochemistry and Molecular Biology Education. 41 (5), 351-359 (2013).
- Tibell, L. A. E., Rundgren, C. -J. Educational challenges of molecular life science: Characteristics and implications for education and research. CBE Life Sciences Education. 9 (1), 25-33 (2010).
- Schönborn, K. J., Anderson, T. R. The importance of visual literacy in the education of biochemists. Biochemistry and Molecular Biology Education. 34 (2), 94-102 (2006).
- Anderson, T. R. Bridging the educational research-teaching practice gap: The importance of bridging the gap between science education research and its application in biochemistry teaching and learning: Barriers and strategies. Biochemistry and Molecular Biology Education. 35 (6), 465-470 (2007).
- Schönborn, K. J., Anderson, T. R. Bridging the educational research-teaching practice gap: Foundations for assessing and developing biochemistry students’ visual literacy. Biochemistry and Molecular Biology Education. 38 (5), 347-354 (2010).
- Bateman, R. C., Craig, P. A. Education corner: A proficiency rubric for biomacromolecular 3D literacy. PDB Newsletter. 45, 5-7 (2010).
- Mnguni, L., Schönborn, K., Anderson, T. Assessment of visualization skills in biochemistry students. South African Journal of Science. 112, 1-8 (2016).
- Craig, P. A., Michel, L. V., Bateman, R. C. A survey of educational uses of molecular visualization freeware. Biochemistry and Molecular Biology Education. 41 (3), 193-205 (2013).
- Loertscher, J., Villafañe, S. M., Lewis, J. E., Minderhout, V. Probing and improving student’s understanding of protein α-Helix structure using targeted assessment and classroom interventions in collaboration with a faculty community of practice. Biochemistry and Molecular Biology Education. 42 (3), 213-223 (2014).
- Abualia, M., et al. Connecting protein structure to intermolecular interactions: A computer modeling laboratory. Journal of Chemical Education. 93 (8), 1353-1363 (2016).
- Carvalho, I., Borges, A. D. L., Bernardes, L. S. C. Medicinal chemistry and molecular modeling: An integration to teach drug structure–activity relationship and the molecular basis of drug action. Journal of Chemical Education. 82 (4), 588 (2005).
- Forbes-Lorman, R. M., et al. Physical models have gender-specific effects on student understanding of protein structure-function relationships. Biochemistry and Molecular Biology Education. 44 (4), 326-335 (2016).
- Terrell, C. R., Listenberger, L. L. Using molecular visualization to explore protein structure and function and enhance student facility with computational tools. Biochemistry and Molecular Biology Education. 45 (4), 318-328 (2017).
- Zhang, S., et al. Structure-based drug design of an inhibitor of the SARS-CoV-2 (COVID-19) main protease using free software: A tutorial for students and scientists. European Journal of Medicinal Chemistry. 113390, (2021).
- Roberts, J. R., Hagedorn, E., Dillenburg, P., Patrick, M., Herman, T. Physical models enhance molecular three-dimensional literacy in an introductory biochemistry course. Biochemistry and Molecular Biology Education. 33 (2), 105-110 (2005).
- Jenkinson, J., McGill, G. Visualizing protein interactions and dynamics: Evolving a visual language for molecular animation. CBE Life Sciences Education. 11 (1), 103-110 (2012).
- Bussey, T. J., Orgill, M. What do biochemistry students pay attention to in external representations of protein translation? The case of the Shine–Dalgarno sequence. Chemistry Education Research and Practice. 16 (4), 714-730 (2015).
- Harle, M., Towns, M. H. Students’ understanding of primary and secondary protein structure: Drawing secondary protein structure reveals student understanding better than simple recognition of structures. Biochemistry and Molecular Biology Education. 41 (6), 369-376 (2013).
- Dries, D. R., et al. An expanded framework for biomolecular visualization in the classroom: Learning goals and competencies. Biochemistry and Molecular Biology Education. 45 (1), 69-75 (2017).
- The BioMolViz Framework. BioMolViz. , Available from: http://biomolviz.org/framework (2021).
- Procko, K., et al. Meeting report: BioMolViz workshops for developing assessments of biomolecular visual literacy. Biochemistry and Molecular Biology Education. 49 (2), 278-286 (2021).
- Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures. , Available from: http://www.jmol.org/ (2021).
- Wang, J., et al. iCn3D, a web-based 3D viewer for sharing 1D/2D/3D representations of biomolecular structures. Bioinformatics. 36 (1), 131-135 (2020).
- PyMOL . The PyMOL Molecular Graphics System. Version 2.0. , Schrödinger, LLC. (2021).
- Goddard, T. D., et al. UCSF ChimeraX: Meeting modern challenges in visualization and analysis. Protein Science. 27 (1), 14-25 (2018).
- Pettersen, E. F., et al. UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Protein Science. 30 (1), 70-82 (2021).
- Petit, P., et al. The active conformation of human glucokinase is not altered by allosteric activators. Acta Crystallographica. Section D. 67 (11), 929-935 (2011).
- Corey, R. B., Pauling, L. Molecular models of amino acids, peptides and proteins. Review of Scientific Instruments. 24, 621-627 (1953).
- Koltun, W. L.
- Hodis, E., et al. Proteopedia - a scientific 'wiki' bridging the rift between three-dimensional structure and function of biomacromolecules. Genome Biology. 9 (8), 1-10 (2008).
- Prilusky, J., et al. Proteopedia: A status report on the collaborative, 3D web-encyclopedia of proteins and other biomolecules. Journal of Structural Biology. 175 (2), 244-252 (2011).
- Martz, E. FirstGlance in Jmol. , Available from: https://www.bioinformatics.org/firstglance/fgij/ (2021).
- Jmol User Design Environment (JUDE). MSOE Centerfor BioMolecular Modeling. , Available from: https://cbm.msoe.edu/modelingResources/jmolUserDesignEnvironment/#forward (2021).
- Castro, C. R., et al. A practical guide to teaching with Proteopedia. Biochemistry and Molecular Biology Education. 49 (5), 707-719 (2021).
- Berman, H. M., et al.
- The Protein Data Bank. , Available from: https://www.rcsb.org/ (2021).
- Wang, Y., et al. MMDB: 3D structure data in Entrez. Nucleic Acids Research. 28 (1), 243-245 (2000).
- iCn3D Help Page. , Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/icn3d/docs/icn3d_help.html (2021).
- MSOE Center for BioMolecular Modeling Jmol Training Guide. , Available from: https://cbm.msoe.edu/modelingResources/jmolTrainingGuide/started.html (2021).
- The Online Macromolecular Museum. , Available from: http://earth.callutheran.edu/Academic_Programs/Departments/BioDev/omm/exhibits.htm (2021).
- Jmol/JSmol Interactive Scripting Documentation. , Available from: https://chemapps.stolaf.edu/jmol/docs/ (2021).
- PyMOL Wiki. , Available from: https://pymolwiki.org/index.php/Main_Page (2021).
- PyMOL Advanced Scripting Workshop by Schrödinger. , Available from: https://pymol.org/tutorials/scripting/index.html (2021).
- UCSF ChimeraX User Guide. , Available from: https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/docs/user/index.html (2021).
- UCSF ChimeraX Tutorials. , Available from: https://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax/tutorials.html (2021).
- Kuntz, I. D. Structure-based strategies for drug design and discovery. Science. 257 (5073), 1078-1082 (1992).
- Structure-based drug discovery: an overview. Hubbard, R. E. , (2006).
- Patrick, G. L. An introduction to medicinal chemistry, 6th ed. , Oxford University Press. (2017).
- Van Montfort, R. L., Workman, P. Structure-based drug design: aiming for a perfect fit. Essays in Biochemistry. 61 (5), 431-437 (2017).
- Holdgate, G. A., Meek, T. D., Grimley, R. L. Mechanistic enzymology in drug discovery: a fresh perspective. Nature Reviews. Drug Discovery. 17 (2), 115-132 (2018).
- Wang, M. Y., et al. SARS-CoV-2: structure, biology, and structure-based therapeutics development. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 10, (2020).
- White, B., Kim, S., Sherman, K., Weber, N. Evaluation of molecular visualization software for teaching protein structure differing outcomes from lecture and lab: Differing outcomes from lecture and lab. Biochemistry and Molecular Biology Education. 30 (2), 130-136 (2002).
- Canning, D. R., Cox, J. R. Teaching the structural nature of biological molecules: Molecular visualization in the classroom and in the hands of students. Chemistry Education Research and Practice. 2 (2), 109-122 (2001).
