Моделирование лигандов в карты, полученные с помощью электронной криомикроскопии

Summary

Этот протокол знакомит с инструментами, доступными для моделирования низкомолекулярных лигандов в криоЭМ-картах макромолекул.

Abstract

Расшифровка белок-лигандных взаимодействий в макромолекулярном комплексе имеет решающее значение для понимания молекулярного механизма, лежащих в основе биологических процессов и разработки лекарств. В последние годы криогенная электронная микроскопия образцов (криоЭМ) стала мощным методом определения структур макромолекул и исследования режима связывания лигандов с разрешением, близким к атомному. Идентификация и моделирование небелковых молекул на картах cryoEM часто является сложной задачей из-за анизотропного разрешения на интересующей молекуле и присущего данных шума. В этой статье читатели знакомятся с различными программами и методами, используемыми в настоящее время для идентификации лигандов, построения моделей и уточнения атомных координат с использованием выбранных макромолекул. Одним из простейших способов идентификации присутствия лиганда, как показано на примере фермента енолазы, является вычитание двух карт, полученных с лигандом и без него. Дополнительная плотность лиганда, вероятно, будет выделяться на карте различий даже при более высоком пороге. Существуют случаи, как показано в случае метаботропного глутаматного рецептора mGlu₅, когда такие простые разностные карты не могут быть сгенерированы. Недавно представленный метод получения карты пропуска Fo-Fc может служить инструментом для валидации и демонстрации присутствия лиганда. Наконец, на примере хорошо изученной β-галактозидазы анализируется влияние разрешения на моделирование лигандов и молекул растворителей в картах криоЭМ, а также представлен взгляд на то, как криоЭМ может быть использован в разработке лекарств.

Introduction

Клетки выполняют свои функции, осуществляя бесчисленные химические реакции одновременно и независимо, каждая из которых тщательно регулируется, чтобы обеспечить их выживание и приспособляемость в ответ на сигналы окружающей среды. Это достигается за счет молекулярного распознавания, которое позволяет биомолекулам, особенно белкам, образовывать переходные или стабильные комплексы с другими макромолекулами, а также с малыми молекулами или лигандами^. Таким образом, белок-лигандные взаимодействия являются фундаментальными для всех процессов в биологии, которые включают регуляцию экспрессии и активности белков, распознавание субстратов и кофакторов ....

Protocol

1. Моделирование фосфоенолпирувата (ПЭП) в енолазе из Mycobacterium tuberculosis

1. Идентификация плотности лиганда в криоЭМ-карте ПЭП-енолазного комплекса
   1. Загрузите незаточенные полукарты (emd_30988_additional_1.map и emd_30988_additional_2.map) апо-енолазы из дополнительных данных EMDB (см. Таблиц?.......

Discussion

Усовершенствование аппаратного и программного обеспечения микроскопа привело к увеличению количества криоЭМ-структур в последние годы. Несмотря на то, что самое высокое разрешение, достигнутое на данный момент в криоЭМ для одиночных частиц, составляет 1,2 Å 57,58,59, большинство структур ?.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CCP4-8.0	Consortium of several institutes	https://www.ccp4.ac.uk	Free for academic users and includes Coot and list of tools developed for X-ray crystallography
CCP-EM	Consortium of several institutes	https://www.ccpem.ac.uk/download.php	Free for academic users and includes Coot, Relion and many others
Coot	Paul Emsley, LMB, Cambridge	https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/personal/pemsley/coot/	General software for model building but also available with other suites described above
DockinMap (Phenix)	Consortium of several institutes	https://phenix-online.org/documentation/reference/dock_in_map.html	Software inside the Phenix suite for docking model into cryoEM maps
Electron Microscopy Data Bank	Consortium of several institutes	https://www.ebi.ac.uk/emdb/	Public Repository for Electron Microscopy maps
Falcon	Thermo Fisher Scientific	https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/MSD/Technical-Notes/Falcon-3EC-Datasheet.pdf	Commercial, camera from Thermo Fisher
Phenix	Consortium of several institutes	https://phenix-online.org/download	Free for academic users and includes Coot
Protein Data Bank	Consortium of several institutes	https://rcsb.org	Public database of macromolecular structures
Pymol	Schrodinger	https://pymol.org/2/	Molecular viusalization tool. Educational version is free but comes with limitation. The full version can be obtained with a small fee.
Relion	MRC-LMB, Cambridge	https://relion.readthedocs.io/en/release-4.0/Installation.html	Software for cryoEM image processing, also available with CCP-EM
Titan Krios	Thermo Fisher Scientific	https://www.thermofisher.com/in/en/home/electron-microscopy/products/transmission-electron-microscopes/krios-g4-cryo-tem.html?cid=msd_ls_xbu_xmkt_tem-krios_285811_gl_pso_gaw_tpne1c& gad_source=1&gclid=CjwKCAiA-P-rBhBEEiwAQEXhHyw5c8MKThmdA AkZesWC4FYQSwIQRk ZApkj08MfYG040DtiiuL8 RihoCebEQAvD_BwE	Commercial, cryoTEM from Thermo Fisher
UCSF Chimera	UCSF, USA	https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html	General purpose software for display, analysis and more
UCSF Chimera X	UCSF, USA	https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/	General purpose software for display, analysis and more