Optymalizacja białek syntetycznych: identyfikacja zależności interpozycyjnych wskazujących na strukturalnie i/lub funkcjonalnie powiązane reszty
14 lipca 2015
Syntetyczne sekwencje białek oparte na motywach konsensusu zazwyczaj ignorują współewoluujące resztki, które implikują zależności interpozycyjne (IPD). IPD mogą być niezbędne do działania, a projekty, które je ignorują, mogą skutkować nieoptymalnymi wynikami. Protokół ten wykorzystuje StickWRLD do identyfikacji IPD i pomaga w racjonalnym projektowaniu białek, co skutkuje bardziej wydajnymi wynikami.
Ogólnym celem tej procedury jest identyfikacja współewoluujących reszt w wyrównaniach białek, które implikują zależności interpozycyjne lub IPD. Osiąga się to poprzez uprzednie załadowanie wyrównania do świata patyczków, który jest wizualnym narzędziem analitycznym, które tworzy interaktywną reprezentację 3D wyrównania białka i wyraźnie wyświetla różne reszty w świecie patyczków. Każda pozycja w wyrównaniu jest reprezentowana jako kolumna składająca się ze stosu kul, po jednej kuli dla każdego z możliwych 20 aminokwasów w tej pozycji w wyrównaniu, które są zwymiarowane w sposób zależny od częstotliwości, kolumny reprezentujące każdą pozycję są owinięte wokół cylindra, aby reprezentować IPD.
Rysowane są linie między pozostałościami, które współewoluują wyżej lub niżej, niż można by się spodziewać, gdyby pozostałości obecne w tych pozycjach były zależne w programie. Reszta jest dostrajanana do momentu, gdy pojawi się możliwa do opanowania liczba krawędzi, a następnie identyfikowane są krawędzie będące przedmiotem zainteresowania. Ostatecznie świat patyczków służy do identyfikacji pozostałości, które współewoluują ze sobą.
Takie funkcjonalnie wymagane pozostałości nawożeniowe zostały zidentyfikowane w kinazie wentylacyjnej. Jednym z powodów, dla których ludzie zmagają się z tym procesem, jest nowość. Jest to prawie w równym stopniu forma sztuki, co nauka.
Wizualne zademonstrowanie świata kija jest ważne, ponieważ jest to narzędzie do analizy wizualnej i wymaga interakcji użytkownika.Działanie. Użyj komputera, który ma procesor Intel I pięć lub lepszy z co najmniej czterema gigabajtami Bram, działa pod kontrolą systemu Mac OS 10 lub Linux OS i jest wyposażony w biblioteki Pythona wymienione w protokole tekstowym. Pobierz Stick World jako archiwum zip zawierające wszystkie odpowiednie skrypty Pythona.
Pobierz również skrypt FASTA two stick do konwersji standardowych wyrównań sekwencji białek DNA fasta do formatu świata stick. Rozpakuj archiwum i umieść wynikowy folder świata pendrive'a oraz skrypt FASTA two stick na pulpicie. Następnie utwórz wyrównanie sekwencji białek za pomocą dowolnego standardowego oprogramowania do wyrównywania.
Zapisz wyrównanie na pulpicie. Zainfekuj format. Otwórz aplikację terminala na komputerze z systemem makr Linux i przejdź do pulpitu, wpisując CD tilda slash desktop i naciskając Return w terminalu.
Wpisz polecenie, aby uczynić wykonywalny skrypt FASTA z dwoma drążkami, a następnie wpisz polecenie, aby wykonać skrypt. Postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie w skrypcie, aby określić nazwę pliku wejściowego i żądaną nazwę wyjściową. Zapisz plik wyjściowy na górze pulpitu.
Przejdź do folderu plików wykonywalnych świata pendrive'a za pomocą aplikacji terminalowej świata uruchamiania komputera Mac lub Linux, wpisując w terminalu Python dash 32 stick world demo PI. Sprawdź, czy panel ładowania danych świata drążka jest widoczny na ekranie. Następnie załaduj przekształcone wyrównanie sekwencji białka, naciskając przycisk ładowania białka.
Wybierz utworzony plik i naciśnij otwarty świat drążka, aby otworzyć kilka nowych okien, w tym kontrolę świata drążka i świat drążka otwarty gl. Wybierz okno świata drążka otwarty GL. Wybierz resetowanie widoku z otwartego menu GL, aby wyświetlić domyślną wizualizację świata drążka w widoku z góry przez cylinder, reprezentujący dane w otwartych oknach GL o zmiennym rozmiarze.
W świecie drążków dostępnych jest kilka opcji widoku. Zaznacz pola etykiet kolumn i etykiet kulek w panelu sterowania świata drążka, aby wyświetlić wartości kolumn i kulek. Usuń zaznaczenie pola wyboru krawędzi kolumn w panelu sterowania świata drążka, aby ukryć linie krawędzi kolumny.
Ustaw grubość kolumny na 0,1 w panelu sterowania świata drążka, aby narysować cienką linię przechodzącą przez kolumny. Aby ułatwić poruszanie się po widoku 3D, naciśnij Return, aby zaakceptować zmianę. Zresetuj widok w oknie GL w świecie drążka.
Następnie naciśnij przycisk pełnego ekranu, aby zmaksymalizować widok do nawigacji w programie. Obróć ekran świata drążka 3D, przytrzymując lewy przycisk myszy podczas przesuwania myszy w dowolnym kierunku. Powiększ ekran świata drążka 3D, przytrzymując prawy przycisk myszy podczas przesuwania myszy w górę lub w dół.
Przeglądaj widok, przesuwając i powiększając współewoluujące pozostałości przekraczające wymagania progowe zarówno p, jak i reszty, są połączone liniami krawędzi. Jeśli jest zbyt wiele lub zbyt mało krawędzi łączących pozostałości, zmień próg resztkowy, aby pokazać mniej lub więcej krawędzi Zwiększ próg resztkowy na bólu kontroli świata drążka, aż nie zostaną pokazane linie krawędzi IPD i powoli zmniejszaj, aż pojawią się relacje. Kontynuuj zwiększanie reszty, aż pojawi się wystarczająca liczba relacji do zbadania.
Zidentyfikuj relacje, które obejmują albo pozostałości o znanym znaczeniu, albo pozostałości, które są dystalne względem siebie w obrębie wyrównania, za pomocą polecenia plus kliknij lewym przyciskiem myszy, wybierz dowolne krawędzie zainteresowania. Panel sterowania światem drążka wskaże kolumny i połączy określone pozostałości. Linie ciągłe reprezentują pozytywne skojarzenia.
Natomiast linie przerywane reprezentują negatywne skojarzenia. Naciśnij przycisk wyjściowych krawędzi w panelu sterowania świata drążka, aby zapisać sformatowany zwykły tekst plik wszystkich widocznych krawędzi w odpowiednim katalogu, w tym pozostałości połączeń i ich rzeczywiste wartości resztkowe. Na pierwszym planie widoczne są duże zależności interpozycyjne klastrowe lub IPD, w tym asocjacja trzech węzłów między glicyną w pozycji 1 32, tyrozyną w pozycji 1 35 i proliną w pozycji 1 41.
W tym przypadku widok został zniekształcony tak, aby umieścić użytkownika nieco powyżej cylindra, odsłaniając IPD między histaminą w pozycji 1 36 a metioniną w pozycji dwadzieścia dziewięć sto siedem reszt odległych. I odwrotnie, motyw pochodny A-P-A-M-H-M-M z tej samej domeny nie wykrywa ich jako specyficznie współwystępującej wariancji motywu, a także definiuje ogólne grupowania w biologicznie niewspieranym schemacie. Wykonując tę procedurę, należy pamiętać, aby wypróbować ją na dwa różne sposoby.
Zacznij od wysokiego residual i idź w dół, lub zacznij od niskiego residual i idź w górę, dzięki czemu możesz eksplorować przestrzeń na dwa różne sposoby.
Przegląd
Niniejszy protokół wykorzystuje narzędzie StickWRLD do identyfikacji współewoluujących reszt w wyrównaniach białek, wskazując zależności międzypozycyjne (IPDs), które są kluczowe dla aktywności białek. Poprzez uwzględnienie IPDs w projektowaniu białek, badacze mogą osiągnąć bardziej efektywne wyniki.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Projektowanie białek
- Bioinformatyka
- Biologia strukturalna
Wstęp
- Współewoluujące reszty wskazują na zależności międzypozycyjne (IPDs).
- Ignorowanie IPDs może prowadzić do nieoptymalnego projektowania białek.
- StickWRLD jest narzędziem analityki wizualnej do analizy dopasowania białek.
- Zrozumienie IPDs jest niezbędne dla racjonalnego projektowania białek.
Cel badania
- W celu zidentyfikowania współewoluujących reszt, które wskazują na IPDs.
- W celu zwiększenia efektywności procesów projektowania białek.
- W celu zaprezentowania użyteczności StickWRLD w wizualizacji dopasowań białek.
Zastosowane metody
- Wczytaj dopasowania białek do programu StickWRLD.
- Wizualizuj współewoluujące reszty za pomocą reprezentacji 3D.
- Dostosuj progi resztowe, aby zidentyfikować istotne zależności.
- Wyeksportuj dane dotyczące zidentyfikowanych IPD do dalszej analizy.
Główne wyniki
- Identyfikacja istotnych IPD w sekwencjach białkowych.
- Wizualizacja współewoluujących reszt za pomocą interaktywnych modeli 3D.
- Wykazanie znaczenia IPD dla funkcjonalności białek.
- Skuteczne zastosowanie StickWRLD w analizie dopasowań białkowych.
Wnioski
- Włączenie nieustrukturyzowanych regionów białkowych (IPD) do projektowania białek może zwiększyć ich aktywność.
- StickWRLD służy jako skuteczne narzędzie do wizualizacji oddziaływań białkowych.
- Zrozumienie koewolucji jest kluczowe dla racjonalnej inżynierii białek.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Identyfikacja zależności interpozycyjnych (IPDs) w sekwencjach białek umożliwia dokładniejsze projektowanie syntetycznych białek poprzez ujawnienie ewolucyjnie konserwowanych relacji między resztami, które wpływają na fałdowanie, stabilność i funkcję. Ignorowanie tych kowariacji niesie ze sobą ryzyko generowania niewykonalnych sekwencji konsensusowych, które są pozbawione znaczenia biologicznego. StickWRLD oferuje podejście oparte na analityce wizualnej do wykrywania takich zależności, wspierając racjonalną inżynierię białek terapeutycznych z wyższą pewnością prognostyczną.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Ujawnia funkcjonalnie powiązane reszty, które mogą wskazywać na krytyczne miejsca strukturalne lub katalityczne w białkach docelowych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia opartą na hipotezach analizę kowariancji reszt w celu zmniejszenia ryzyka związanego z mechanizmami celu na wczesnym etapie procesu odkrywania.
Przesiew oraz opracowanie testu
- Wartość naukowa: Identyfikacja współewoluujących par reszt, które mogą pomóc w projektowaniu stabilizowanych wariantów białek w celu zwiększenia odporności testu.
- Wartość operacyjna: Wsparcie rozwoju ustandaryzowanych wejść białkowych z zachowanymi interfejsami funkcjonalnymi dla zapewnienia powtarzalności przesiewu.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Łączy kowariację sekwencji z motywami strukturalnymi, które mogą korelować z domenami funkcjonalnymi istotnymi dla mechanizmów chorobowych.
- Wartość operacyjna: Ułatwia przeniesienie projektów opartych na IPD do modeli przedklinicznych poprzez zachowanie interakcji reszt zbliżonych do natywnych.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z procesem odkrywania leków, dostarczając mechanistycznych informacji niezbędnych do walidacji celu oraz umożliwiając optymalizację związków wiodących poprzez projektowanie oparte na strukturze, wspierane analizą kowariancji ewolucyjnej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez wskazywanie sieci reszt, które mogą leżeć u podstaw funkcji białka lub regulacji allosterycznej.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie wariantów białek z zachowanymi powierzchniami oddziaływań, co poprawia spójność angażowania celu w testach.
- Analityka: Generuje ilościowe dane krawędziowe (wartości resztkowe) między resztami ewoluującymi wspólnie, aby rankingować i priorytetyzować hipotezy strukturalne.
- Badania translacyjne: Łączy wzorce ewolucyjne z ciągłością strukturalną, pomagając w projektowaniu białek z zachowaną funkcją w różnych modelach.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Zapewnia wielokrotnego użytku platformę analityki wizualnej do iteracyjnego projektowania białek dla wielu celów i projektów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w projektowaniu białek poprzez uwzględnienie oddziaływań reszt ograniczonych ewolucyjnie.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność dzięki standaryzowanej wizualizacji i detekcji par współewoluujących z dostosowaniem progów.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko niepowodzenia na późnym etapie badań poprzez poprawę biologicznej wiarygodności białek syntetycznych we wczesnej fazie rozwoju.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów do inżynierii białek w oparciu o analizę ryzyka, bazując na strukturalnych i funkcjonalnych zależnościach reszt.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie dopasowywania sekwencji białkowych oraz analizy ewolucyjnej.
- Wymagana jest stacja robocza z systemem Python 3.2+, wsparciem OpenGL oraz określonymi bibliotekami do uruchomienia programu StickWRLD.
- Wymagane są ustandaryzowane dopasowania wejściowe i spójne ustawienia progów w celu zapewnienia powtarzalności detekcji IPD pomiędzy zespołami.
- Proces obejmuje manualną inspekcję wizualizacji 3D w celu zidentyfikowania biologicznie istotnych oddziaływań reszt.
- Ograniczeniem jest jakość i głębokość wejściowego wielokrotnego dopasowania sekwencji, co wpływa na siłę sygnału kowariancji.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:37
Software Download & Installation and Preparation of Alignment
2:52
Launching and Using StickWRLD
4:37
Finding, Selecting, and Saving Interpositional Dependencies (IPDs)
5:52
Results: StickWRLD Visualization of the Adenylate Kinase Lid Domain Protein
6:41
Conclusion
