JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

ويرد بروتوكول للتحقيق على الانترنت من العلاقات تسلسل البروتين هيكل ديناميات باستخدام Bio3D على شبكة الإنترنت.

Abstract

علينا أن نظهر استخدام Bio3D على شبكة الإنترنت للتحليل التفاعلي للبيانات هيكل الجزيئية الحيوية. يوفر تطبيق Bio3D على شبكة الإنترنت وظائف على الانترنت ل: (1) تحديد مجموعات هيكل البروتين ذات الصلة إلى عتبات المستخدم المحدد للتشابه. (2) محاذاة متعددة وهيكل تراكب. (3) تحليل الحفاظ على التسلسل والهيكل؛ (4) رسم خرائط العلاقة بين المتعامدين مع تحليل المكون الرئيسي، و (5) مقارنة الديناميات الداخلية المتوقعة عن طريق تحليل النمط العادي للمجموعة. توفر هذه الوظيفة المتكاملة سير العمل الكامل على الانترنت للتحقيق في العلاقات تسلسل هيكل ديناميكية داخل أسر البروتين والأسر الفائقة.

Introduction

يحتوي بنك البيانات البروتين (بدب) الآن أكثر من 120،000 هياكل البروتين - وكثير منها هي من نفس عائلة البروتين ولكن حلها في ظل ظروف تجريبية مختلفة. هذه الهياكل متعددة تمثل موردا لا يقدر بثمن لفهم تعقيدات شكل البروتين وظيفة. على سبيل المثال، المقارنة الصارمة بين هذه المجموعات هيكل يمكن أن تكشف عن الآليات الجزيئية الهامة 1 ، 2 ، 3 والإبلاغ عن ديناميات التوافق المشاركة في العمليات بما في ذلك ملزمة يجند، الأنزيمية الحفز والاعتراف ثنائي الجزيئي 4 ، 5 ، 6 ، 7 . ويمكن الحصول على رؤى جديدة في كثير من الأحيان من تحليل مفصل على نطاق واسع لتسلسل وهيكل وديناميات الأسر البروتين. ومع ذلك، فإن هذا يتطلب عادة بيوانف كبيرأورماتيكش والخبرة البرمجة الكمبيوتر جنبا إلى جنب مع الألفة مع أنظمة البروتين قيد الدراسة. على سبيل المثال، حزم البرمجيات مثل Bio3D، برودي و مافين تتطلب البرمجة في R، بيثون و ماتلاب، على التوالي 8 ، 9 ، 10 . على العكس من ذلك، أدوات الإنترنت لتحليل المرونة الهيكلية تقتصر عموما على التحقيق في الهياكل الفردية 11 ، 12 . والاستثناء في هذا الصدد هو خادم ويب نمم @ الذي تم تطويره مؤخرا، والذي يسمح بمقارنة أنماط المرونة التي تم الحصول عليها من تحليل الوضع الطبيعي (نما) للعديد من الهياكل المحددة مسبقا للمحترفين 13 . ومع ذلك، هذا الخادم يفتقر إلى إجراء الآلي لتحديد هياكل للمقارنة، ومواءمتها أو مزيد من التحليل وراء نما. آخر مساهمة الأخيرة هي قاعدة بيانات بدبفلكس على الانترنت، والذي يعرض قبل جتحليل أومبوتد من هياكل بدب تقاسم 95٪ أو أعلى تسلسل الهوية 14 . بيد أن تحليل مجموعات هيكلية أكثر تنوعا غير متوفر حاليا.

لقد قدمنا ​​في وقت سابق Bio3D على شبكة الإنترنت - وسيلة سهلة لاستخدام تطبيق ويب لتحليل البروتين تسلسل هيكل ديناميكية العلاقات 15 . Bio3D على شبكة الإنترنت هي فريدة من نوعها في توفير سهلة الاستخدام وظيفة متكاملة لتحديد والمقارنة وتحليل مفصل من مجموعات هيكل مثلي كبير على الانترنت. هنا نقدم بروتوكول مفصل للتحقيق على الانترنت من تسلسل البروتين-هيكل-ديناميات العلاقة باستخدام Bio3D على شبكة الإنترنت. يوفر Bio3D على شبكة الإنترنت مجموعة متنوعة من الوظائف لدعم الخطوات الرئيسية الخمس لتحليل البيانات هو مبين في الشكل 1 ونوقشت بالتفصيل أدناه. وتشكل هذه الخطوات سير عمل يمتد من تسلسل الاستعلام أو مدخل الهيكل، من خلال مستويات متعددة من التحليل التسلسلي - الديناميكي، لتلخيصy جيل التقرير. النتائج متوفرة على الفور من خلال التصور واسعة في المتصفح وأجهزة التآمر، وكذلك من خلال تحميل ملفات النتيجة في الأشكال التي يشيع استخدامها. بالإضافة إلى سهولة الاستخدام واجهة ديناميكية لاستكشاف آثار المعلمة وخيارات الطريقة، Bio3D على شبكة الإنترنت أيضا يسجل إدخال المستخدم الكامل والنتائج الرسومية اللاحقة من جلسة المستخدم كتقرير قابل للتكرار قابلة للمشاركة في بدف، دوك و هتمل الأشكال. قد يتم حفظ جلسات المستخدم وإعادة تحميلها في أوقات المستقبل والنتائج كاملة تحميلها وتفسيرها من قبل حزمة Bio3D R على الجهاز المحلي للمستخدم.

يتم تشغيل Bio3D على شبكة الإنترنت من قبل حزمة Bio3D R لتحليل البنية الجزيئية الحيوية، تسلسل والبيانات المحاكاة الجزيئية 8 ، 16 . على وجه الخصوص، خوارزميات Bio3D لتحديد جامدة النواة 8 ، تراكب، تحليل المكون الرئيسي(PCA) 8 ، وتحليل الوضع الطبيعي للمجموعة (إنما) 16 تشكل أساس التطبيق. نحن أيضا الاستفادة من البروتوكولات Bio3D التي تعتمد على بمر 17 لتحديد هياكل البروتين ذات الصلة، و موسكل 18 لمحاذاة تسلسل متعددة. وتستمد شروح الهيكل والتسلسل من خلال المرافق Bio3D من قواعد البيانات رسسب بدب 19 و بفام 20 . يمكن تشغيل Bio3D على شبكة الإنترنت من خادم على شبكة الإنترنت أو تثبيت محليا على أي جهاز كمبيوتر يعمل R. Bio3D على شبكة الإنترنت مفتوح لجميع المستخدمين ويتم توفيرها مجانا تحت رخصة غل-3 مفتوحة المصدر من: هتب: // ثغرانتلاب. غزاله / bio3d / webapps

Protocol

ملاحظة: جلسة نموذجية على شبكة الإنترنت Bio3D تنتقل من خلال خمس خطوات متتالية ويعتمد (انظر الشكل 1 للتمثيل التخطيطي). يتم تنفيذ كل خطوة كعلامة تبويب الملاحة التوالي من تطبيق ويب وهي بحث، محاذاة، فيت، يكا، و إنما.

1. هيكل البحث والاختيار (بحث)

  1. بنية الإدخال
    1. الحصول على معرف بدب من كيناز أدينيلات (أدك)، على سبيل المثال من خلال البحث في بدب [http://www.rcsb.org/pdb]. بدلا من ذلك، الحصول على تسلسل حمض أميني البروتين من الفائدة، على سبيل المثال من ونيبروت [http://uniprot.org].
    2. أدخل معرف بدب أربعة أحرف طويلة ل أدك (على سبيل المثال 1AKE)، أو لصق تسلسل البروتين، إلى مربع النص في لوحة "هيكل الإدخال أو تسلسل".
  2. ضرب التحديد
    1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (ضرب التحديد) في اللوحة الأولى أو ببساطة انتقل لأسفل إلى لوحة B) "ضرب اختيار"لمزيد من التحليل.
    2. تأكد من تعيين "الحد الإجمالي عدد الهياكل المضمنة" المنزلق إلى القيمة القصوى لتشمل جميع الهياكل فوق القطع.
    3. خفض "ضبط إدراج بيتسكور إدراج" لتشمل أكثر صلة بعيدة الزيارات، أو زيادة لاستبعاد.
  3. تصفية النتائج الاختيارية
    1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (ضرب التحديد) في اللوحة الأولى أو ببساطة انتقل لأسفل إلى لوحة C) "تصفية اختيارية من الهياكل ذات الصلة لمزيد من التحليل".
    2. تأكد من أن النتائج المختارة تمثل الهياكل ذات الصلة عن طريق فحص تفاصيل الجدول، مثل اسم بدب والأنواع والأربطة المرتبطة.
    3. قم بتنقيح مجموعة فرعية مختارة من الهياكل يدويا إذا لزم الأمر بالنقر فوق صفوف الجدول.
      ملاحظة: الصفوف المميزة باللون الأزرق تصور معرفات بدب المحددة لمزيد من التحليل في علامات التبويب اللاحقة.

2. تحليل محاذاة تسلسل متعددة (ألين)

  1. انقر فوق علامة التبويب ألين لإجراء محاذاة تسلسل الهياكل المحددة من علامة التبويب بحث.
  2. ملخص المحاذاة
    1. راجع ملخص المحاذاة في اللوحة A) "ملخص المحاذاة". تأكد من أن المناطق ذات الاهتمام تتم محاذاة وغير ملثمين من قبل الثغرات في واحد أو أكثر من الهياكل.
    2. إذا لزم الأمر، قم بتبديل "خيارات تعديل محاذاة العرض" وقم بإزالة معرفات بدب غير المرغوب فيها، مثل بدب مع مخلفات مفقودة.
  3. تحليل محاذاة التسلسل
    1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (تحليل) لإجراء تحليل التكتل القائم على تسلسل الهياكل التي تم جمعها.
    2. حدد الخيار ديندروغرام مؤامرة. ضبط الكتلة في K مجموعات المنزلق لتقسيم الهياكل إلى مجموعات ك.
    3. قم بتغيير طريقة التجميع اختياريا إذا رغبت في ذلك عن طريق تبديل مربع الاختيار المزيد من المجموعات والمخرجات.
    4. تحليل حفظ بقايا
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (حفظ) لحساب الحفاظ على بقايا العمود العمود.
      2. حدد مجموعات هيكل الانحياز لإنشاء مؤامرة الحفاظ على بقايا في كل موقف المحاذاة.
      3. حدد الهياكل الانحياز مع محاذاة بفم البذور لإظهار الحفظ المحسوبة فيما يتعلق محاذاة البذور بفم المرتبطة التي تحتوي على أعضاء ممثلين من الأسرة.
    5. تسلسل عرض المحاذاة
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (المحاذاة) لإظهار التوافق التام مع أداة التصور المحاذاة في المستعرض.

    3. هيكل التركيب والتحليل (فيت)

    1. أداء هيكل التركيب عن طريق إدخال علامة التبويب فيت.
    2. هيكل تراكب
      1. تبديل مربع الحوار "عرض بدبس" لتصور بروتي الانحيازn في المتصفح.
      2. تأكد من أن هياكل البروتين هي فرضه على المناطق المقابلة وذات الصلة من خلال عمليات التفتيش البصرية. انقر واسحب الماوس فوق الهياكل لتدوير، وانتقل إلى التكبير.
      3. ضبط التلوين من الهياكل عن طريق النقر على "خيارات الألوان". وتشمل خيارات التلوين موقف المحاذاة، والتباين الهيكلي لكل موقف، مجموعات العنقودية رمسد، مجموعات العنقودية التسلسل، والمناطق الانحياز والهياكل الثانوية.
      4. تحميل هياكل متراكبة إما ملفات بدب التقليدية أو ملف جلسة عمل واحد بيمول للتصور في برنامج المشاهد الجزيئية المتخصصة.
    3. تحليل الهيكل
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (تحليل) لتنفيذ تجميع القائم على بنية هياكل بدب التي تم جمعها.
      2. قم بتغییر خارطة بیانات رمسد في القائمة المنسدلة خیارات المؤامرة.
      3. ضبط خيارات التجميع، بما في ذلك طريقة التجميع نفسها، من خلال تبديل مربع الاختيار "المزيد من المجموعات والمخرجات".
        ملاحظة: يمكن أيضا أن تصور البيانات رمزد زوجي كما ديندروغرام، رسم بياني أو خريطة الحرارة.
    4. تقلبات بقايا
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (رمزف) لعرض التباين الهيكلي لكل بقايا (كما هو موضح في مؤامرة رمزف) مع عناصر هيكل الثانوية الرئيسية التي تظهر في المناطق الهامشية للمحور س.
      2. قم بتغيير مربع الاختيار إظهار العوامل B لتراكب العوامل B البلورية للهيكل المرجعي على مؤامرة رمزف.

    4 - تحليل المكونات الرئيسية (يكا)

    1. إجراء تحليل المكون الرئيسي عن طريق إدخال علامة التبويب "يكا".
    2. تصور المكونات الرئيسية
      1. تبديل مربع "إظهار بيسي مسار" لتصور الاقتراحات التي وصفتها أجهزة الكمبيوتر مع أداة التصور في المتصفح.
      2. تأكد من "برينسيبال المكون 1 "من القائمة المنسدلة الأولى.
      3. لتصور الاقتراحات الموضحة من قبل أجهزة الكمبيوتر الأخرى، اختر الكمبيوتر المطلوب من القائمة المنسدلة "اختيار المكون الرئيسي".
      4. تغيير التلوين للمسار من القائمة المنسدلة "خيارات الألوان".
      5. اختر "التباين في الموضع" من "خيارات الألوان" للون حسب حجم التشرد.
      6. انقر فوق الزر "تحميل مسار بدب" في لوحة "المكون الرئيسي التصور" للحصول على عرض المسار للحركة التي وصفتها أجهزة الكمبيوتر.
      7. انقر فوق الزر "تحميل بيمول" ملف جلسة لإنشاء ملف جلسة بيمول إعطاء الاقتراحات كحقل متجه.
    3. تحليل المطابقة
      1. مشروع الهياكل الفردية على اثنين من أجهزة الكمبيوتر المختارة عن طريق النقر على زر "التالي" (مؤامرة) الأزرق.
      2. تأكد من ضبط "بيسي على المحور السيني" على 1، و "بيسي oن المحور "إلى 2. لعرض الهياكل على أجهزة الكمبيوتر الأخرى، وضبط ترقيم الكمبيوتر وفقا لذلك.
      3. اختر "الكتلة بواسطة بيسي سوبسباس" لتلوين الهياكل في المؤامرة عن طريق تجميع القائم على الكمبيوتر. "رمزد" إلى اللون من قبل "القائمة على رمززد" التجمع؛ و "تسلسل" إلى اللون حسب التسلسل القائم على التكتل.
      4. انقر على أي نقطة الفردية في مؤامرة لتسمية الهياكل. بدلا من ذلك، تسليط الضوء على واحد أو أكثر من الهياكل في الجدول "يكا المطابق مؤامرة الشرح" تحت المؤامرة.
      5. حرك أجهزة الكمبيوتر في شريط تمرير مساحة فرعية بما في ذلك أجهزة كمبيوتر أكثر / أقل لخوارزمية التجميع.
    4. المساهمات المتبقية
      1. حساب المساهمات بقايا على أجهزة الكمبيوتر الفردية عن طريق النقر على زر "التالي" الأزرق (المساهمات بقايا) الأزرق.
      2. رسم المساهمات لحواسيب إضافية عن طريق تضمين رقم بيسي في مربع الاختيار "اختيار المكون الرئيسي".
      3. تبديل "انتشار لينيس "تجنب التآمر المساهمات بقايا على رأس كل منهما الآخر.
      4. قم بتغيير مربع الاختيار "مؤامرة متعددة الطبقات" لرسم مساهمات بقايا في قطع منفصلة.
      5. تبديل "إظهار رمزف" لتشمل قيم رمزف (من علامة التبويب فيت).

    5. مجموعة تحليل الوضع الطبيعي (إنما)

    1. انقر فوق علامة التبويب إنما لبدء حساب وسائط عادية (نمس).
    2. هيكل الفلتر
      1. ضبط عدد من الهياكل عن طريق خفض أو زيادة "قطع" لإدراج هيكل / الاستبعاد.
      2. انقر فوق الأخضر "تشغيل فرقة نما" لبدء حساب نما.
    3. تصور وسائط عادي
      1. انتقل لأسفل إلى اللوحة الثانية من علامة التبويب إنما (التصور وسائط عادي) لتصور نمس.
        ملاحظة: افتراضيا، يتم عرض نم مع أعلى التداخل (التشابه) إلى بيسي-1 في البصريةنافذة إيزاتيون.
      2. لتصور الاقتراحات التي وصفها نمس أخرى أو هياكل بدب أخرى، اختيار نم المطلوب والبنية من القوائم "اختيار الوضع" و "إظهار نمس للهيكل" المنسدلة، على التوالي.
    4. تقلبات بقايا
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (التقلبات) لحساب تقلبات البقايا الحكيمة للهياكل المختارة ل إنما.
      2. تبديل "الكتلة بواسطة رمزد" لتلوين التشكيلات الجانبية التذبذبات من قبل التجمع القائم على رمززد.
      3. تبديل "الكتلة بواسطة رمزيب" لتلوين التشكيلات الجانبية للتقلب من خلال تجميع يستند إلى رمزسيب.
      4. قم بتغيير مربع الاختيار "خطوط الانتشار" لتعيين ملفات تعريف التذبذب المجمعة بغض النظر عن بعضها البعض.
    5. مقارنة نما و يكا
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (يكا-فس-نما) لحساب التشابه بين نمس الفردية وأجهزة الكمبيوتر.
      2. حدد Pمعرف قاعدة البيانات من القائمة المنسدلة "مقارنة نانومتر من بنية" لحساب التشابه بين نانومتر من هذا الهيكل إلى أجهزة الكمبيوتر المحسوبة في علامة التبويب يكا.
    6. تحليل التداخل
      1. انقر فوق الزر الأزرق "التالي" (تحليل التداخل) لحساب التداخل بين نمس المحسوبة وناقلات فرق الهيكل بين اثنين من الهياكل المحددة.
      2. حدد معرف بدب "مرجع" من القائمة المنسدلة "مقارنة نمس من بنية" أو واحد أو أكثر من معرفات بدب في جدول بنية لمقارنة الزوجية مع بدب المرجعية.
    7. تحليل المجموعات
      1. انقر فوق الزر الأزرق " التالي" (تجميع) لأداء تجميع بنية على أساس زوج من الحكمة نم التشابه (رمزيب).

النتائج

كيناز أدينيلات (أدك) هو إنزيم في كل مكان يعمل على الحفاظ على التوازن بين النيوكليوتيدات السيتوبلازمية الضرورية للعديد من العمليات الخلوية. أدك تعمل عن طريق تحفيز نقل عكسها من مجموعة فوسفهوريل من أتب إلى أمب. ويرافق هذا التفاعل من قبل معدل مدروسة الحد من التحولات التوافقية 3 ، 21 . هنا نقوم بتحليل جميع الهياكل المتاحة حاليا أدك مع Bio3D على شبكة الإنترنت للكشف عن الميزات التفصيلية والمبادئ الآلية لهذه التحولات الأساسية.

يمكننا أن نبدأ لدينا تحليل Bio3D على شبكة الإنترنت من أدك عن طريق إدخال رمز رسيسب بدب أي بنية أدك معروفة. على سبيل المثال، يؤدي إدخال معرف 1AKE بدب في اللوحة A من علامة التبويب سيرتش إلى إعادة ترتيب 167 بنية مشابهة يتم اختيار أعلى 26 منها تلقائيا لمزيد من التحليل (انظر اللوحة B). يتم عرض التعليق التوضيحيإد في اللوحة C يشير إلى أن هذه الهياكل المختارة كلها من E. القولونية، تم حلها بواسطة حيود الأشعة السينية في مجموعة من المجموعات الفضائية؛ لديها مجموعة قرار من 1.63 إلى 2.8 Å، وكانت تشارك في الكريستال مع مجموعة من بروابط مختلفة (بما في ذلك أي ليغاندس، أمب، أدب، مغ ومثبط AP5). لاحظ أنه يمكن عرض تفاصيل التعليق التوضيحي الإضافية بالنقر على الخيار "إظهار / إخفاء الأعمدة" في اللوحة C.

يتم تنفيذ محاذاة تسلسل متعددة عند دخول علامة التبويب ألين. تعرض اللوحة الأولى من علامة التبويب ألين ملخصا للمحاذاة يوفر تفاصيل عن عدد صفوف التسلسل (أي ما يعادل عدد هياكل بدب)، فضلا عن عدد المواضع ( أي أعمدة المحاذاة). ويشمل ذلك تحديد عدد الأعمدة المحتوية على فجوة وأخرى لا تحتوي على فجوة. يوفر الرقم الموجود في الجانب الأيمن من الصف الأول تمثيل تخطيطي لمحاذاة التسلسل. هنا ث(ه) تمثل المناطق الرمادية مواقف غير الفجوة، في حين تتوافق المناطق البيضاء في المحاذاة مع الثغرات. ويظهر تمثيل حفظ التسلسل فوق المحاذاة مع المناطق الحمراء التي تشير إلى المواقف المحافظة جيدا، والأبيض تشير إلى أقل تحفظا. لاحظ أن التتابعات في هذا الشكل يتم ترتيبها بناء على تشابهها الذي يوفره مخطط تجميع المجموعة على الجانب الأيسر. اللوحة الثانية من علامة التبويب هذه يسهل أيضا تجميع بدبس مختارة على أساس تشابه تسلسل الحكمة زوجها، والتي يمكن تصور إما كما ديندروغرام أو خريطة الحرارة. افتراضيا، يظهر ديندروغرام (أو الرسم البياني شجرة) يمثل ترتيب مجموعات. المحور y من ديندروغرام يمثل المسافة (من حيث هوية تسلسل) بين المجموعات.

يتم تنفيذ هيكل تراكب تلقائيا عند دخول علامة التبويب فيت. الهياكل فرضه، وعرض تفاعلي في لوحة A، إنديكا(تشمل المخلفات 1-29، 68-117، و 161-214؛ راجع "الأساسية الأساسية ورمزد تفاصيل 'لوحة في الجزء السفلي من علامة التبويب فيت لمزيد من التفاصيل). اثنين من المناطق أكثر متانة النوكليوتيدات ملزمة (بقايا 30-67 و 118-167) هي أيضا واضحة للعيان ( الشكل 2 ). وتجمع التجمعات القائمة على رمسد هذه الهياكل في شكلين متماثلين.

النقر على علامة التبويب يكا يظهر بشكل أكثر وضوحا العلاقة بين الهياكل من حيث تشريد هذه المناطق التي تغلق بشكل فعال على الأنواع النوكليوتيدات ملزمة في الهياكل ذات الصلة ( الشكل 2B و 2 C ). غالبية الهياكل في شكل 'مغلقة' (الأزرق في الشكل 2C ) وترتبط مع يجند ملزمة أو المانع. وعلى النقيض من ذلك، فإن المزيد من التوافقات "المفتوحة" هي النوكليوتيدات والمثبط مجانا. وهذا يتفق معمجموعة واسعة من البحوث على هيكل أدك وديناميات تشير إلى أن تكوين مفتوح من هذه المناطق هو مطلوب لربط النوكليوتيدات وتشكل مغلقة لنقل كفاءة الفوسفوريل وقمع أحداث التحلل الضارة. ومن الجدير بالملاحظة أن جهاز كمبيوتر واحد يلتقط 97٪ من إجمالي التهجير مربع متوسط ​​في هذه المجموعة هيكل أدك ويوفر وصفا واضحا ومقنعة لفتح إلى الانتقال مغلقة جنبا إلى جنب مع المساهمات بقايا الفردية لهذا النزوح الوظيفي (لوحة C من التطبيق والشكل 2 ).

زيارة علامة التبويب نما وزيادة عدد الهياكل النظر في حساب (عن طريق خفض قطع لتصفية هياكل مماثلة) يشير إلى أن هياكل الدولة المفتوحة عرض تعزيز ديناميات المحلية والعالمية بالمقارنة مع الهياكل شكل مغلقة ( الشكل 2D ولوحة C من التطبيق) . مقارنة نتائج يكا و نما لتشير الهياكل الفردية (اللوحة D) إلى أن الأسلوب الأول من جميع هياكل النموذج المفتوح يعرض تداخل عال نسبيا إلى PC1 (بقيمة متوسطة 0،37 ± 0،04). وعلى النقيض من ذلك، تظهر هياكل الشكل المغلقة قيم أقل (بمتوسط ​​0.30 ± 0.01). قيم رمزيب للهياكل مفتوحة الشكل (0.62 ± 0.003) هي أيضا أعلى من تلك الهياكل المغلقة (0.56 ± 0.008). وبالإضافة إلى ذلك، يظهر تحليل التداخل أن الأساليب الأولى من الدولة المفتوحة هي في توافق جيد مع التغيير التوافقي الذي يصف الفرق بين الدول المفتوحة والمغلقة (لوحة E). التجميع القائم على قيم رمزيب يعرض مرة أخرى تقسيم ثابت من هياكل الدولة المفتوحة والمغلقة (لوحة F).

وبشكل جماعي تشير هذه النتائج إلى وجود حالتين متمايزتين رئيسيتين متماثلتين ل أدك. هذه تختلف عن طريق التشرد التردد المنخفض الجماعي من اثنين من مناطق الموقع ملزمة النيوكليوتيدات التي تظهر فليكسيبي متميزةليتيز على النوكليوتيدات ملزمة.

figure-results-5406
الشكل 1: نظرة على شبكة الإنترنت Bio3D مع لقطات الشاشة من يكا و نما علامات التبويب. Bio3D الويب يأخذ المستخدم المقدمة بنية البروتين أو تسلسل كما المدخلات في علامة التبويب بحث ( 1 ). يوفر الخادم قائمة من الهياكل ذات الصلة، والتي يمكن اختيارها لمزيد من التحليل. ( 2 ) توفر علامة التبويب ألين محاذاة التسلسل وتحليل الهياكل المحددة في علامة التبويب بحث. ( 3 ) في علامة التبويب فيت يتم فرضه جميع الهياكل وتصور في 3D جنبا إلى جنب مع نتائج تحليل هيكل الزوجين التقليدية. ( 4 ) يتم تنفيذ تحليل المكون الرئيسي لمجموعة البنية في علامة تبويب يكا لتوصيف العلاقات بين المتغيرات. ( 5 ) يمكن إجراء تحليل الوضع العادي على كل بنية في علامة التبويب إنمالاستكشاف الاتجاهات الديناميكية للوحدات الهيكلية المتاحة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6528
الشكل 2: نتائج تحليل Bio3D على شبكة الإنترنت من كيناز أدينيلات. ( أ ) هياكل بدب المتاحة من كيناز أدينيلات فرضه على جوهر ثابت ثابت. يتم تلوين الهياكل وفقا للتجميع القائم على رمززد المنصوص عليها في علامة التبويب فيت. ( B ) التصور من المكونات الرئيسية هو متاح من علامة التبويب يكا لتوصيف الاختلافات التوافقية الرئيسية في مجموعة البيانات. هنا، يتم عرض مسار المقابلة للمكون الرئيسي الأول في تمثيل أنبوب تظهر حركة إغلاق على نطاق واسع من البروتين. ( C ) الهياكل هي بيأرتطرح على اثنين من المكونات الرئيسية الأولى في مؤامرة كونفورمر يظهر تمثيل منخفض الأبعاد للتغير التوافقية. يتم تلوين كل نقطة (أو بنية) وفقا لمعايير محددة من قبل المستخدم، وفي هذه الحالة نتائج تجميع يستند إلى يكا. ( D ) تحليل الوضع الطبيعي في علامة التبويب إنما يقترح تعزيز الديناميات المحلية والعالمية للهياكل في الدولة المفتوحة (الأحمر) بالمقارنة مع الهياكل المغلقة (الأزرق) شكل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

ويمكن استخدام Bio3D على شبكة الإنترنت لاستكشاف تفاعلي وخريطة الدول الهيكلية والدينامية والوظيفية للبروتينات من الهياكل البلورية المتاحة. وعلاوة على ذلك، يمكن لنتائج نما و يكا القائمة على تجميع، جنبا إلى جنب مع الشروح والتحليل القائم على تسلسل، تكون مفيدة بشكل خاص لاختيار الهياكل التمثيلية لمزيد من التحليل تستغرق وقتا طويلا مثل تجميع الجزئي جزيء صغير أو المحاكاة الديناميكية الجزيئية. ومن ثم، فإن نظام "بيو دي دي-ويب" يسهل التحليل الهيكلي للمعلوماتية الهيكلية المتقدم لمجموعة أوسع من الباحثين عن طريق الحد من المستوى المطلوب من الخبرة الفنية. التصميم الحالي ل Bio3D على شبكة الإنترنت يؤكد البساطة على إدراج شامل من العديد من أساليب التحليل المتاحة في حزمة Bio3D مستقل مستقل. في كثير من الحالات من المتوخى أن الباحثين سوف تستخدم Bio3D على شبكة الإنترنت لفهم الاتجاهات العامة في الأسرة البروتينية أو عظمى من الفائدة، والتي قد ثم إبلاغ تحليلات أكثر تخصصا. Bio3D على شبكة الإنترنت هوإعادة تصميمها لاستكشاف بسرعة مجموعات البيانات الهيكل الجزيئي الحيوي والعمل كأداة توليد الفرضية. ونحن نشجع المستخدمين على مواصلة استكشاف البيانات الخاصة بهم من خلال توفير مثال رمز Bio3D في تقرير استنساخه الذي يخزن أيضا جميع تفاصيل الاستعلام ونتائج التحليل.

في المثال المثال بروتوكول أعلاه، نعرض قدرة Bio3D على شبكة الإنترنت للكشف عن الميزات الهيكلية للتحولات التوافقية وظيفية من أدك. وتشمل التطبيقات الإضافية ل Bio3D على شبكة الإنترنت التحليل الهيكلي والديناميكي للهياكل بدب المحملة من قبل المستخدم. على سبيل المثال، يمكن للمستخدم تحميل هياكل جديدة أو في الواقع تسلسل البروتين للتحليل. يمكن لخطوات التحليل المذكورة آنفا، وخاصة خطوة إنما، أن تكشف عن الاتجاهات المحلية والعالمية في حركات البروتين، مع كون الاقتراحات الجماعية ذات أهمية وظيفية. المقارنة مع هياكل أبو يمكن أيضا الكشف عن خصائص غير منضم إلى التحولات التوافقية ملزمة. أمثلة إضافية للتطبيق علىيتم توفير مجموعة من الأسر البروتين المختلفة على الانترنت.

على الرغم من أن جميع البروتينات هي كيانات مرنة وحيوية، وليس كل البروتينات لديها هياكل القرار الذرية المتاحة في مجموعة من حالات مختلفة ( مثل الدول النشطة وغير النشطة). وجهة نظرنا من الفضاء بنية البروتين هو بالتالي واحدة محدودة، وبالتالي البصيرة التي تم الحصول عليها من أدوات مثل Bio3D على شبكة الإنترنت هو بالضرورة بالضرورة محدودة للبروتينات معينة. ومع ذلك، مع التقدم التكنولوجي الحالي والمبادرات الجديدة لعلم الجينوم الهيكلي والبروتوكول المقدمة هنا سوف تصبح على نحو متزايد طريقا هاما للحصول على نظرة ثاقبة العلاقات الهيكلية وظيفة هامة. وهناك خطوة حاسمة، وهي مهمة بشكل خاص عند تحليل البروتينات ذات الصلة أكثر بعيدة، هو احتمال ظهور أخطاء المحاذاة في علامة التبويب ألين. وسوف تحدث أخطاء المحاذاة حتما عندما ينخفض ​​التشابه في التسلسل أقل من٪ 30 ويجب على المستخدم في مثل هذه الحالات التحقق من ضعف وتصحيح محاذاة التسلسلفي علامة التبويب ألين. ومن المحتمل أن تؤدي أخطاء المحاذاة إلى هياكل غير صحيحة مثبتة في علامة التبويب فيت، وتخفف أكثر الاختلافات التوافقية ذات الصلة بالنسبة إلى يكا اللاحقة. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون المستخدم على بينة من بقايا مفقودة في هياكل بدب المحدد كما هو الحال في يكا التنفيذ الحالي لا يمكن أن يؤديها إلا على بقايا البروتين الذي جميع الهياكل لديها ذرة الكربون ألفا المقابلة حلها. وبالتالي، إذا كان بدب المحدد يحتوي على بقايا لم يتم حلها لمنطقة معينة من البروتين سيتم حذف هذه المنطقة من يكا.

Bio3D على شبكة الإنترنت يقتصر حاليا على تحليل هياكل بدب سلسلة واحدة. وبالتالي، لا يمكن استكشاف الاقتراحات الوظيفية التي تحدث على المستوى الرباعي باستخدام البروتوكول الحالي. على الرغم من أننا حاليا تطوير خوارزميات جديدة لتشمل هذا التحليل في Bio3D على شبكة الإنترنت، والخيار الحالي الوحيد هو من خلال استخدام Bio3D التقليدية.

Bio3D على شبكة الإنترنت هو أبليكات فقط على الانترنتأيون الذي يجعل من الممكن الاستعلام وتحديد مجموعات الهيكل، وتفسير أنماطها من تسلسل والتباين الهيكلي، واستخراج المعلومات الآلية من كل من التحليل والتنبؤ اللدونة الهيكلية. وهناك مجموعة واسعة من أدوات التصور الجزيئي والخوادم على الانترنت تمكن الباحثين لاستكشاف وتحليل الهياكل البيولوجية الجزيئية الفردية. ومع ذلك، فإن الأدوات القائمة لتحليل تسلسل وهيكل وديناميات الأسر البروتينية غير المتجانسة الكبيرة غالبا ما تتطلب خبرة حاسوبية كبيرة وعادة ما تظل متاحة فقط للمستخدمين ذوي المهارات البرمجة ذات الصلة. على سبيل المثال، يتطلب حزمة Bio3D R 8 ، برودي يتطلب الثعبان و مافين يتطلب معرفة ماتلاب 9 ، 10 . بيو 3D على شبكة الإنترنت في المقابل لا يتطلب أي معرفة البرمجة وبالتالي يزيد من إمكانية الوصول ويقلل من حاجز الدخول لأداء تسلسل المقارنة المتقدمة، وهيكل و ديتحليل ناميكش. وعلاوة على ذلك، يتم تضمين إعداد، كرأيشن، الشرح وتنظيف الهياكل الجزيئية التي غالبا ما تكون ضرورية لتحليل كفاءة مع خدمة Bio3D على شبكة الإنترنت. بالإضافة إلى ذلك، يتم تخفيف القيود المفروضة على إجراء هذا التحليل على الموارد الحسابية قادرة من قبل مثيل خادمنا التي تمكن التحليل على نطاق واسع للعديد من الهياكل التي يمكن أن تبدأ والسيطرة عليها من أي متصفح ويب حديث.

التنمية المفتوحة لل Bio3D على شبكة الإنترنت هو مستمر (انظر https://bitbucket.org/Grantlab/bio3d). ونحن نواصل إضافة وظائف تحليل جديدة وتحسين الأساليب الحالية. سوف تركز التنمية المستقبلية على إضافة مصفوفة على أساس يكا و يكا التوائية، أكثر شمولا نهج المحافظة تسلسل التي تشمل عنصر النشوء والتطور، وتحديد موقع ملزمة مجموعة، ونهج جديدة لتحليل الشبكة الديناميكية عبر الأسر البروتين. في هذا الصدد يمثل تطبيق الويب الحالي نقطة البدايةt لكثير من سير العمل التحليلي الهيكلي بيوانفورماتيك الهيكلي الأخرى من خلال تمكين استنساخه وخطوات قابلة للمشاركة على مجموعات هيكل التجريبية التجريبية التي يحددها المستخدم. كما أننا نخطط لدعم المستقبل من مجموعات بيولوجية وحدة تنسيق إعادة بناؤها بالإضافة إلى سلاسل فردية ومتعددة من وحدة غير المتماثلة من هياكل بدب. وستشمل الميزات الإضافية تحسين الادخار وتحميل مساحات العمل التعاونية جنبا إلى جنب مع إمكانية التراجع.

Bio3D على شبكة الإنترنت هو تطبيق على الانترنت للتحليل التفاعلي للبيانات الهيكل الجزيئي الحيوي. Bio3D على شبكة الإنترنت يعمل على أي متصفح ويب الحديثة ويوفر وظائف ل: (1) تحديد مجموعات البروتين ذات الصلة إلى عتبات المستخدم المحدد من التشابه. (2) محاذاة متعددة وهيكل تراكب. (3) تحليل الحفاظ على التسلسل والهيكل؛ (4) رسم خريطة العلاقة بين المتعامدين مع تحليل المكون الرئيسي، و (5) مقارنة الديناميات الداخلية المتوقعة عبر الفرقة ولاتحليل وضع المال. توفر هذه الوظيفة المتكاملة سير العمل الكامل للتحقيق في العلاقات تسلسل هيكل ديناميكية داخل أسر البروتين والأسر الفائقة. بالإضافة إلى سهولة الاستخدام واجهة ديناميكية لاستكشاف آثار المعلمة وخيارات الطريقة، Bio3D على شبكة الإنترنت أيضا يسجل إدخال المستخدم الكامل والنتائج الرسومية اللاحقة لدورة المستخدم. وهذا يسمح للمستخدمين بسهولة مشاركة وإعادة إنتاج تسلسل خطوات التحليل التي خلقت نتائجها.يتم تنفيذ Bio3D على شبكة الإنترنت تماما في اللغة R ويستند على Bio3D وحزم R لامعة. ويمكن تشغيله من خادمنا عبر الإنترنت أو تثبيته محليا على أي جهاز كمبيوتر قيد التشغيل R. ويشمل ذلك تركيب الخادم المحلي لتوفير مثيل مستخدم متعدد مخصص مع إمكانية الوصول إلى مجموعات البيانات الهيكلية ذات الأولوية مثل تلك الشائعة في صناعة المستحضرات الصيدلانية. يتم توفير شفرة المصدر الكامل والوثائق واسعة النطاق تحت رخصة غل-3 مفتوحة المصدر من: http://thegrantlab.org/ bio3d / webapps

Disclosures

ويعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgements

نشكر الدكتور غويدو سكارابيلي وهونجيانغ لي لاختبار واسعة في جميع أنحاء التنمية وكذلك المجتمع المستخدم Bio3D وجامعة بيرغن الهيكلية المشاركين في المعلوماتية الحيوية للمعلومات عن ردود الفعل والتعليقات التي تحسنت هذا التطبيق.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Bio3D-web
Web-sitehttp://thegrantlab.org/bio3d-web/
RequirementsWeb browser

References

  1. Kornev, A. P., Taylor, S. S. Dynamics-Driven Allostery in Protein Kinases. Trends Biochem. Sci. 40 (11), 628-647 (2015).
  2. Yao, X. -. Q., Grant, B. J. Domain-opening and dynamic coupling in the α-subunit of heterotrimeric G proteins. Biophys. J. 105 (2), L08-L10 (2013).
  3. Henzler-Wildman, K. A., et al. Intrinsic motions along an enzymatic reaction trajectory. Nature. 450 (7171), 838-844 (2007).
  4. Boehr, D., Nussinov, R., Wright, P. The role of dynamic conformational ensembles in biomolecular recognition. Nat. Chem. Biol. 5 (11), 789-796 (2009).
  5. Teilum, K., Olsen, J. G., Kragelund, B. B. Functional aspects of protein flexibility. Cell Mol Life Sci. 66 (14), 2231-2247 (2009).
  6. Henzler-Wildman, K., Kern, D. Dynamic personalities of proteins. Nature. 450 (7172), 964-972 (2007).
  7. Grant, B. J., Gorfe, A. A., McCammon, J. A. Large conformational changes in proteins: signaling and other functions. Curr. Opin. Struct. Biol. 20 (2), 142-147 (2010).
  8. Grant, B. J., Rodrigues, A. P. C., ElSawy, K. M., McCammon, J. A., Caves, L. S. D. Bio3d: an R package for the comparative analysis of protein structures. Bioinformatics. 22 (21), 2695-2696 (2006).
  9. Bakan, A., Meireles, L. M., Bahar, I. ProDy: protein dynamics inferred from theory and experiments. Bioinformatics. 27 (11), 1575-1577 (2011).
  10. Zimmermann, M. T., Kloczkowski, A., Jernigan, R. L. MAVENs: motion analysis and visualization of elastic networks and structural ensembles. BMC Bioinformatics. 12 (1), 264 (2011).
  11. Yang, L. -. W., et al. oGNM: online computation of structural dynamics using the Gaussian Network Model. Nucleic Acids Res. 34, 24-31 (2006).
  12. Suhre, K., Sanejouand, Y. -. H. ElNemo: a normal mode web server for protein movement analysis and the generation of templates for molecular replacement. Nucleic Acids Res. 32, W610-W614 (2004).
  13. Tiwari, S. P., et al. WEBnm@ v2.0: Web server and services for comparing protein flexibility. BMC Bioinformatics. 15 (1), 427 (2014).
  14. Hrabe, T., et al. PDBFlex: exploring flexibility in protein structures. Nucleic Acids Res. 44, D423-D428 (2016).
  15. Skjærven, L., Jariwala, S., Yao, X. -. Q., Grant, B. J. Online interactive analysis of protein structure ensembles with Bio3D-web. Bioinformatics. , (2016).
  16. Skjærven, L., Yao, X., Scarabelli, G., Grant, B. J. Integrating protein structural dynamics and evolutionary analysis with Bio3D. BMC Bioinformatics. 15 (399), 1-11 (2014).
  17. Eddy, S. R. Accelerated Profile HMM Searches. PLoS Comput. Biol. 7 (10), (2011).
  18. Edgar, R. C. MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res. 32 (5), 1792-1797 (2004).
  19. Berman, H. M. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Res. 28 (1), 235-242 (2000).
  20. Finn, R. D., et al. Pfam: the protein families database. Nucleic Acids Res. 42, D222-D230 (2014).
  21. Kerns, S. J., et al. The energy landscape of adenylate kinase during catalysis. Nat. Struct. Mol. Biol. 22 (2), 124-131 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

125

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved