التحقيق البروتين تسلسل-هيكل-ديناميات العلاقات مع Bio3D على شبكة الإنترنت
يوليو 16, 2017
ويرد بروتوكول للتحقيق على الانترنت من العلاقات تسلسل البروتين هيكل ديناميات باستخدام Bio3D على شبكة الإنترنت.
الهدف العام من Bio3D-web هو تمكين التحليل التفاعلي للتسلسل والهيكل والتنوع التأكيدي لعائلات البروتين. Bio3D-web هو تطبيق ويب جديد يمكن أن يساعدنا في فهم العلاقات بين التسلسل والهيكل والديناميكيات داخل عائلات البروتين الكبيرة. تتمثل الميزة الرئيسية ل Bio3D-web في أنه يوفر تحليلا تفاعليا وقابلا للتكرار للتسلسل والهيكل والديناميكيات عبر الإنترنت لا يتطلب معرفة برمجية مسبقة من جانب المستخدم.
لإدخال هيكل للتحليل ، احصل على معرف PDB لأدينيلات كيناز من خلال البحث في قاعدة بيانات البروتين. أدخل معرف PDB المكون من أربعة أحرف للأدينيلات كيناز أو الصق تسلسل بروتين في مربع النص الخاص ببنية الإدخال أو لوحة التسلسل. انقر فوق زر تحديد الضربة التالية الأزرق في اللوحة الأولى ، أو ببساطة قم بالتمرير لأسفل إلى اللوحة B لتحديد الضربة لمزيد من التحليل.
تأكد من تعيين الحد الإجمالي لشريط تمرير الهياكل المضمنة على القيمة القصوى لتضمين جميع الهياكل فوق القطع. قم بخفض قطع BitScore التضمين لتضمين المزيد من النتائج ذات الصلة أو زيادتها لاستبعادها. تأكد من أن النتائج المحددة تمثل الهياكل ذات الصلة من خلال فحص تفاصيل الجدول مثل اسم PDB والأنواع والروابط المقلدة.
انقر فوق علامة التبويب محاذاة لإجراء محاذاة تسلسل للبنى المحددة من علامة تبويب البحث. هناك ظهور محتمل لأخطاء المحاذاة ، خاصة عند تحليل البروتينات ذات الصلة البعيدة مثل عندما يكون تشابه التسلسل أقل من 30٪ تحقق دائما من محاذاة التسلسل وتصحيحها في علامة تبويب المحاذاة. راجع ملخص المحاذاة في ملخص المحاذاة في اللوحة A.
تأكد من محاذاة مناطق الاهتمام وعدم إخفاؤها بفجوات في هيكل واحد أو أكثر. انقر فوق زر التحليل التالي الأزرق لإجراء تحليل التجميع المستند إلى التسلسل للهياكل التي تم جمعها. ثم انقر فوق زر الحفظ الأزرق التالي لحساب الحفاظ على البقايا حسب العمود.
حدد مجموعات الهياكل المحاذاة لإنشاء قطعة أرض لحفظ البقايا في كل موضع محاذاة. قم بإجراء تراكب الهيكل عن طريق الدخول إلى علامة التبويب المناسبة. تأكد من تركيب هياكل البروتين على المناطق المقابلة وذات الصلة عن طريق الفحص البصري.
انقر فوق الماوس واسحبه فوق الهيكل لتدويره، ثم قم بالتمرير للتكبير/التصغير. اضبط تلوين الهياكل بالنقر فوق خيارات اللون. ثم انقر فوق زر التحليل التالي الأزرق لإجراء التجميع المستند إلى البنية لهياكل PDB المجمعة.
قم بتبديل خريطة التمثيل اللوني RMSD في القائمة المنسدلة لخيارات المؤامرة. انقر فوق الزر RMSF الأزرق لعرض تباين هيكل كل بقايا مع عناصر البنية الثانوية الرئيسية الموضحة في المناطق الهامشية للمحور X. قم بإجراء تحليل المكون الرئيسي عن طريق الدخول إلى علامة التبويب PCA.
لتصور المكونات الرئيسية، قم بتبديل خانة الاختيار show PC trajectory لتصور الحركات الموضحة بواسطة المكونات الرئيسية باستخدام أداة التصور داخل المستعرض. تأكد من اختيار المكون الرئيسي واحد من القائمة المنسدلة الأولى. لتصور الحركات الموضحة بواسطة المكونات الرئيسية الأخرى، أختر الكمبيوتر الشخصي المطلوب من القائمة المنسدلة اختيار المكون الرئيسي.
قم بعرض الهياكل الفردية على جهازي كمبيوتر محددين من خلال النقر على زر المؤامرة التالي الأزرق. تأكد من ضبط الكمبيوتر على المحور X على واحد والكمبيوتر الشخصي على المحور Y على اثنين. لعرض الهياكل على المكونات الرئيسية الأخرى ، اضبط ترقيم الكمبيوتر وفقا لذلك.
انقر فوق أي نقاط فردية في المؤامرة لتسمية الهياكل. بدلا من ذلك ، قم بتمييز واحد أو أكثر من الهياكل في الجدول تعليق توضيحي لمؤامرة PCA أسفل المؤامرة. احسب مساهمات المخلفات في المكونات الرئيسية الفردية بالنقر فوق الزر الأزرق التالي لمساهمات البقايا.
ارسم المساهمات للمكونات الرئيسية الإضافية عن طريق تضمين رقم الكمبيوتر الشخصي في مربع النص اختيار المكون الأساسي. انقر فوق علامة التبويب eNMA لبدء حساب الوضع العادي. اضبط عدد الهياكل عن طريق خفض أو زيادة القطع لإدراج الهيكل أو استبعاده.
انقر فوق مجموعة تشغيل NMA الخضراء لبدء حساب تحليل الوضع العادي. قم بالتمرير لأسفل إلى اللوحة الثانية من علامة التبويب eNMA ، والتي تسمى تصور الأوضاع العادية ، لتصور الأوضاع العادية. انقر فوق الزر الأزرق التالي للتقلبات لحساب تقلبات البقايا للهياكل المحددة لتحليل الوضع العادي للمجموعة.
قم بتبديل نظام المجموعة بواسطة RMSD لتلوين ملفات تعريف التذبذب بواسطة التجميع المستند إلى RMSD. قم بتبديل خانة الاختيار خطوط الحيز لرسم ملفات تعريف التذبذب المجمعة بصرف النظر عن بعضها البعض. ثم ، انقر فوق الزر الأزرق التالي PCA مقابل NMA لحساب التشابه بين الأوضاع العادية الفردية والمكونات الرئيسية.
انقر فوق الزر الأزرق التالي في الجزء السفلي لإنشاء تقرير بنتائج التحليل والمدخلات المحددة من قبل المستخدم وخيارات المعلمات. يمكن تنزيل التقرير بتنسيقات PDF و Word و HTML القابلة للمشاركة. يتضمن التقرير أيضا رابطا لإعادة النظر في جلسة التحليل في وقت لاحق ، والذي يمكن مشاركته أيضا مع المتعاونين.
تظهر هنا هياكل PDB المتاحة من adenylate kinase متراكبة على النواة الثابتة المحددة. يتم تلوين الهياكل وفقا للتجميع المستند إلى RMSD المقدم في علامة التبويب الملاءمة. يتوفر تصور المكونات الرئيسية من علامة التبويب PCA لتوصيف الاختلافات التوافقية الرئيسية في مجموعة البيانات.
هنا ، يظهر المسار المقابل للمكون الرئيسي الأول في تمثيل الأنبوب الذي يوضح حركة الإغلاق واسعة النطاق للبروتين. يتم إسقاط الهياكل على أول مكونين رئيسيين لها في مؤامرة مطابقة تظهر تمثيلا منخفض الأبعاد للتباين التوافقي. يتم تلوين كل نقطة أو بنية وفقا للمعايير المحددة من قبل المستخدم ، في هذه الحالة ، نتائج التجميع المستندة إلى PCA.
يشير تحليل الوضع العادي في علامة تبويب eNMA إلى ديناميكيات محلية وعالمية محسنة للهياكل في الحالة المفتوحة مقارنة بالحالة المغلقة. يمكن استخدام Bio3D-web لاستكشاف مجموعات التسلسل والهيكل والمساعدة في فهم الاتجاهات العامة في عائلة البروتين ذات الأهمية في غضون دقائق. ساعدني Bio3D-web ha في إبلاغ التحليل الهيكلي لعائلة كينيسين الفائقة.
يوفر Bio3D-web سير عمل كاملا للتحقيق المخصص بالكامل للعلاقات الديناميكية للتسلسل والبنية والديناميكية. يوفر سير العمل هذا وظائف لرسم خرائط علاقة المطابقة البيانية مع PCA والمقارنة الكمية للديناميكيات المحلية والعالمية عبر مجموعات كبيرة من الهياكل غير المتجانسة باستخدام مجموعة NMA. من المتصور أن معظم الباحثين سيستخدمون Bio3D-web لفهم الاتجاهات العامة في عائلة البروتين التي تهمهم ، والتي يمكن أن تفيد بعد ذلك بمزيد من التحليلات المتخصصة.
لذلك تم تصميم Bio3D-web كأداة لتوليد الفرضيات مع تقارير موجزة قابلة للمشاركة تتضمن جميع المعلمات المحددة من قبل المستخدم. النتائج من Bio3D-web قابلة للتنزيل أيضا ومتوافقة تماما مع حزمة Bio3D-R لمزيد من التحليل المتعمق. تتوفر الآن العديد من الهياكل لعائلة بروتين معينة ، وغالبا ما يتم تحديدها في ظل ظروف مختلفة.
يمكن أن تخبرنا مقارنة هذا العدد الكبير من الهياكل عن الآليات الهيكلية الحاسمة لوظيفتها ، مثل ربط الترابط ، والتحفيز ، والتنظيم الخيفي. يمكن الوصول إلى Bio3D-web على نطاق واسع وسهل الاستخدام دون أي عمليات تثبيت برامج مخصصة أو تعلم لغة برمجة جديدة. Bio3D-web مدعوم على جميع المتصفحات الرئيسية.
تتوفركود المصدر الكامل وتعليمات الإعداد للإعداد المحلي مجانا.
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة بروتوكولاً لاستخدام Bio3D-web، وهو تطبيق ويب مصمم للتحليل التفاعلي لتسلسل البروتينات وبنيتها وديناميكيتها. وهو يتيح للباحثين استكشاف العلاقات ضمن عائلات البروتينات الكبيرة دون الحاجة إلى معرفة برمجية.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلم
- ديناميكيات البروتين
- المعلوماتية الحيوية
- البيولوجيا الهيكلية
خلفية علمية
- يعد فهم العلاقات بين تسلسل البروتين وبنيته وديناميكياته أمراً بالغ الأهمية في الأبحاث البيولوجية.
- تسهل منصة Bio3D-web تحليل عائلات البروتينات من خلال منصة تفاعلية.
- يتيح هذا التطبيق إجراء تحليلات قابلة للتكرار دون الحاجة إلى خبرة مسبقة في البرمجة.
- تدعم المنصة تحليلات متنوعة بما في ذلك محاذاة التسلسلات، والتجميع، وتحليل المكونات الرئيسية.
الغرض من الدراسة
- توفير أداة سهلة الاستخدام لتحليل تسلسلات البروتينات وبناها.
- تعزيز فهم التنوع التشكيلي في عائلات البروتينات.
- تمكين الباحثين من تصور وتفسير بيانات البروتينات المعقدة بشكل فعال.
الطرق المستخدمة
- إدخال بنيات البروتين باستخدام معرفات PDB أو التسلسلات.
- إجراء محاذاة التسلسلات وتحليل التجميع.
- إجراء تحليل المكونات الرئيسية (PCA) لتصور الحركة.
- إنشاء تقارير بتنسيقات متنوعة للمشاركة ولإجراء المزيد من التحليلات.
النتائج الرئيسية
- يتيح Bio3D-web إجراء تحليل مفصل لديناميكيات البروتين وبنيته.
- تعزز الميزات التفاعلية مشاركة المستخدم واستيعابه.
- يكشف تحليل النمط الطبيعي عن الاختلافات الديناميكية بين حالات البروتين.
- تساعد أدوات التصوير المرئي في توصيف التغيرات التشكيلية الرئيسية.
الاستنتاجات
- تعد Bio3D-web مورداً قيماً للباحثين الذين يدرسون عائلات البروتينات.
- تبسط المنصة التحليلات المعقدة، مما يجعلها متاحة لجمهور أوسع.
- قد تتوسع التطبيقات المستقبلية لتشمل تحليلات أكثر تنوعاً للبروتينات.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في القطاع الصناعي
تتيح منصة Bio3D-web للباحثين في مجال الأدوية الحيوية استكشاف العلاقات بين التسلسل والبنية والديناميكا عبر عائلات البروتينات بسرعة، مما يدعم عملية التحقق من الأهداف وتقليل المخاطر الميكانيكية في مراحل الاكتشاف المبكرة. ومن خلال توفير تحليل تفاعلي وقابل للتكرار دون وجود عوائق برمجية، فإنها تسرع من عملية توليد الفرضيات وتوجه جهود تطوير المقايسات اللاحقة وتحديد المركبات الرائدة. كما تعزز هذه الأداة الثقة التنبؤية من خلال الكشف عن الديناميكا الوظيفية وأنماط الحفظ الضرورية لتحديد أولويات الأهداف ذات الصلة علاجياً.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير الصيدلاني الحيوي
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تحديد السمات الهيكلية والديناميكية المحفوظة عبر المتجانسات لتوضيح المواقع الوظيفية والآليات التفارغية.
- القيمة التشغيلية: تمكين الاستقصاء السريع لعائلات البروتينات باستخدام معرفات PDB أو التسلسلات فقط، مما يقلل الاعتماد على الخبرة في المعلوماتية الحيوية.
- القيمة العلمية: رسم خرائط العلاقات بين التشكلات المختلفة عبر تحليل PCA للتمييز بين الحالات الوظيفية ذات الصلة بارتباط اللجين أو التحفيز.
- القيمة التشغيلية: دعم تحليل الأنماط الطبيعية للمجموعة لمقارنة الديناميكيات بين حالات البروتين، مما يساهم في صياغة الفرضيات الميكانيكية.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يُنشئ خرائط للبقايا المحفوظة التي يمكن أن توجه اختيار الإبيتوپ أو استهداف الموقع النشط في تصميم المقايسات.
- القيمة التشغيلية: يُنتج تقارير قابلة للمشاركة بمعايير موحدة، مما يسهل التوافق بين الفرق بشأن المدخلات الهيكلية لحملات الفرز.
- القيمة العلمية: يكشف عن النقاط الساخنة الديناميكية عبر تحليل تقلب البقايا، مما يساعد في تقييم قابلية استهداف الدواء للمستهدف ومرونة موقع الارتباط.
- القيمة التشغيلية: يضمن تكرار التراكب الهيكلي والمحاذاة، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان اتساق نتائج المقايسات عبر المختبرات المختلفة.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- القيمة العلمية: يربط بين التباينات في التسلسل والتغيرات البنيوية والديناميكية، مما يدعم تقييم صلة المؤشرات الحيوية في المتغيرات المرتبطة بالأمراض.
- القيمة التشغيلية: يوفر سير عمل مستمر من التحليل على مستوى العائلة إلى المتابعة المتخصصة، مما يتيح الاستمرارية الانتقالية.
- القيمة العلمية: يسلط الضوء على الاختلافات التشكلية بين الحالات الوظيفية، مما يساعد في التحقق من آلية العمل.
- القيمة التشغيلية: تتوافق المخرجات مع Bio3D-R، مما يسمح بانتقال سلس إلى التحقق الحسابي الأعمق في النماذج قبل السريرية.
تكامل مسار العمل والتدفق الإجرائي
يندرج Bio3D-web ضمن سلسلة مراحل الاكتشاف المبكر، حيث يدعم التحقق من صحة الأهداف من خلال رؤى هيكلية تُسهم في تحديد المركبات الرائدة وترتيب الأولويات في المرحلة ما قبل السريرية عن طريق تقليل عدم اليقين الميكانيكي.
- بيولوجيا الاكتشاف: اختبار الفرضيات المتعلقة بحفظ التسلسل والديناميكيات الهيكلية لتوضيح وظيفة الهدف والحد من مخاطر الافتراضات الميكانيكية.
- المسح: إعداد مدخلات هيكلية موحدة وملفات تعريف الحفظ التي تعزز تصميم المقايسات وجاهزية مسح المركبات.
- التحليلات: تقديم مخرجات كمية تشمل درجات حفظ البقايا، وإسقاطات المكونات الرئيسية، وتقلبات الوضع الطبيعي للمقارنة الموضوعية.
- الأبحاث الانتقالية: ربط الديناميكيات الهيكلية بالحالات الوظيفية، مما يدعم محاذاة المؤشرات الحيوية والتحقق من الآلية عند تحليل المتغيرات ذات الصلة بالمرض.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: تعمل كمنصة قابلة لإعادة الاستخدام والمشاركة للتحليل المستمر لعائلات البروتين عبر المشاريع والفرق المختلفة.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تعزز الثقة التنبؤية في اختيار الأهداف من خلال الكشف عن المناطق المحفوظة تطورياً وذات الصلة ديناميكياً.
- القيمة التشغيلية: تزيل عوائق تثبيت البرمجيات والبرمجة، مما يتيح تبنيها على نطاق واسع عبر الفرق متعددة التخصصات.
- القيمة الاستراتيجية: تقلل الوقت اللازم للوصول إلى رؤى دقيقة لتوليد الفرضيات الهيكلية، مما يحسن كفاءة رأس المال في المشاريع في مراحلها المبكرة.
- تأثير المحفظة: تدعم ترتيب أولويات الأهداف المعدلة حسب المخاطر من خلال توفير أدلة هيكلية وديناميكية لاتخاذ قرارات المضي قدماً أو التوقف.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب الأمر الإلمام بمفاهيم البيولوجيا التركيبية مثل RMSD، والحفظ (conservation)، والأنماط العادية (normal modes) لتفسير المخرجات بشكل صحيح.
- يعتمد الأمر على توفر وجودة تراكيب PDB لعائلة البروتين المستهدفة، مما قد يحد من إمكانية التطبيق على الأهداف ذات التوصيف الضعيف.
- يستلزم وجود اتفاق بين الفرق حول الحدود التركيبية الفاصلة (structural cutoffs)، ومعاملات المحاذاة، وطرق التجميع (clustering methods) لضمان إجراء مقارنات قابلة للتكرار.
- قد يتفاوت الأداء مع المجموعات التركيبية الكبيرة؛ لذا يجب على المستخدمين تعديل عتبات الإدراج بناءً على الحدود الحسابية والأهداف التحليلية.
- يعد هذا الأسلوب الأنسب لتوليد الفرضيات بدلاً من التحقق التركيبي النهائي، مما يتطلب المتابعة بطرق تجريبية أو طرق حسابية عالية الدقة.
الأسئلة الشائعة حول الصيدلة الحيوية
Chapters in this video
0:05
Title
0:40
Structure Search and Selection (SEARCH)
6:52
Results: Bio3D-web Analysis of Adenylate Kinase
1:46
Multiple Sequence Alignment Analysis (ALIGN)
2:51
Structure Fitting and Analysis (FIT)
3:52
Principle Component Analysis (PCA)
5:24
Ensemble Normal Mode Analysis (eNMA)
8:01
Conclusion
