Vyhledávání, porovnávání, validace a charakterizace strukturních motivů v rámci biomakromolekul Radka Svobodová Vařeková, David Sehnal, Lukáš Pravda, Stanislav Geidl, Crina-Maria Ionescu, Michaela Wimmerová, Jaroslav Koča

Motivace  V současné době je dostupno obrovské množství informací o 3D struktuře biomakromolekul.  Konkrétně, počet struktur v Protein Data Bank nedávno překročil  Analýzou těchto dat můžeme získat velmi cenné informace, například:  Porozumět vztahu mezi strukturou a funkcí těchto biomakromolekul, případně být schopni příslušnou funkci predikovat na základě struktury  Identifikovat strukturní motivy, využitelné pro návrh léků  Identifikovat evoluční vztahy mezi proteiny a klasifikovat proteiny  …  Proto jsou v současné době vyvíjeny pokročilé softwarové nástroje pro analýzu struktury biomakromolekul.  Mezi ně patří i WebChemistry – sada softwarových nástrojů pro analýzu fragmentů (tzv. strukturních motivů) biomakromolekul 2

WebChemistry 3 SiteBinder MotiveQuery Mole MotiveValidator MotiveValidator DB Charge Calculator

MotiveQuery Popis MotiveQuery jazyk:  Jazyk pro popis strukturních motivů biomolekul  Umožňuje rovněž zahrnout obecné informace z PDB souboru (autor, rozlišení, typ experimetu, …)  Rozšíření programovacího jazyka Python MotiveQuery server:  Vyhledává strukturní motivy popsané pomocí jazyka MotiveQuery v rámci celé Protein Data Bank  Je schopen prohledat Protein Data Bank během 60 minut a vrátit všechny výskyty daného motivu  Obsahuje kopii Protein Data Bank, která je aktualizována každý týden 4

MotiveQuery Příklad 5 Vyber atomy Ca Atoms(“Ca“) Vyber skupinu atomů Ca, které jsou vzájemně vzdáleny 4 Å a méně Cluster(4,Atoms(“Ca“)) Najdi cyklus, obsahující 5 atomů C a 1 atom O (pyran) Rings(5 * [“C“] + [“O“]) Najdi dva motivy, vzdálené vzájemně 3 Å Near(3,, ) Najdi rezidua, kovalentně vázaná na motiv.ConnectedResidues(1) Potřebuji najít motiv, který obsahuje atomy Ca poblíž pyranového cukru a jejich nejbližší okolí. Výrazy: Kompletní výraz: Near(3, Cluster(4, Atoms(“Ca”)), Rings(5 * [“C”] + [“O”])).ConnectedResidues(1) Poznámka: Pokud se ozvete, rádi pro vás výraz vytvoříme. V nejbližší době doplníme možnost zadávání výrazů v přirozeném jazyce (např. "Find all residues with a pyran ring"). Výsledky: Nalezeno 532 vazebných míst, 311 z nich vykazuje výraznou strukturní podobnost

Mole Popis  Slouží k vyhledávání a charakterizaci tunelů v rámci biomakromolekul.  Poskytuje tyto informace o tunelech:  Geometrické vlastnosti tunelů  Aminokyselinové okolí tunelu  Základních fyzikálně-chemické vlastnosti tunelů  Získává informace o startovních místech tunelů z CSA databáze nebo je schopen tato místa predikovat  Je schopen filtrovat tunely – poskytnout informaci jen o tunelech, které jsou dostatečně odlišné a mají vyhovující vlastnosti 6

Mole Příklady 7 Gramicidin Velká podjednotka ribozomu Cytochrom c oxidáza Acetylcholinový receptor Anhydráza kyseliny uhličité Více viz prezentace Lukáše Pravdy

SiteBinder Popis  Porovnává strukturních motivy biomakromolekul  Konkrétně provádí přiložení těchto motivů a počítá jejich minimální RMSD (root mean square deviation)  Dokáže vyhledat největší společné podgrafy motivů  Je schopen přiložit tisíce molekul během několika sekund 8

SiteBinder Příklad  Přiložení vazebných míst cukrů, která obsahují dva atomy vápníku  Analýza struktury vazebného místa 9 Přiložení pyranového kruhu (červeně) Přiložení společných částí vazebného místa (červeně) Vazebná místa jsou velmi podobná, liší se jen v několika aminokyselinách

MotiveValidator Popis  Byl vytvořen pro validaci anotací ligandů a reziduí přítomných v rámci biomakromolekul.  Určuje, jestli topologie a stereochemie ligandu nebo rezidua odpovídá struktuře modelového rezidua se stejnou anotací.  Modelová rezidua jsou získávána z databáze wwPDB CCD případně zadána uživatelem.  Lze validovat jednu či více biomakromolekul nebo jeden či více ligandů 10

MotiveValidator Příklad 11 Nipah G glykoprotein v komplexu s ephrinem-B3 Obsahuje 30 instancí patřících 11 různým cukrům, každý s jedním cyklem a pěti chirálními atomy Výsledky: 13 z těchto 30 instancí má nesprávnou chiralitu V některých případech je nesprávná chiralita na všech atomech

MotiveValidatorDB Popis  Je databází výsledků validace pro ligandy a rezidua z Protein Data Bank (s vyjímkou aminokyselin, nukleotidů a reziduí s méně než 7 atomy).  Tato databáze poskytuje:  Přehled a interaktivní tabulku pro každý z více než PDB souborů  Přehled a interaktivní tabulku pro každé jméno rezidua (např. MAN, HEM; jmen reziduí, instancí reziduí)  Graf a statistická data s přehledem výsledků validace pro ligandy z celé Protein Data Bank

MotiveValidatorDB Příklad 13 Hlavní závěry: 91+ % reziduí má všechny atomy a cykly 81+ % reziduí má korektní strukturu (všechny atomy + korektní chiralitu) Souhrnné výsledky validace reziduí z Protein Data Bank: Database last updated 30/5/2014: entries from PDB.org, residues relevant for validation, residue models from wwPDB CCD.

ChargeCalculator Popis  Slouží k výpočtu parciálních atomových nábojů pomocí Electronegativity Equalization Method (EEM)  Je schopen počítat náboje velmi rychle i pro rozsáhlé biomakromolekuly (integruje sofistikované metody pro zanedbání velmi dlouhých elektrostatických interakcí)  Umožňuje využívat všechny dosud publikované EEM parametry  Obsahuje heuristiky pro výběr nejvhodnějších z těchto parametrů  Kromě výpočtu nábojů je schopen rovněž realizovat základní statistické analýzy a porovnávání nábojů

ChargeCalculator Příklad 15 Porovnání nábojů v rámci dvou typů vazebných míst cukrů

Reference  SiteBinder: Sehnal D., Svobodová Var ̌ eková R., Huber H. J., Geidl S., Ionescu C. M., Wimmerová M., Koc ̌ a J. SiteBinder: An improved approach for comparing multiple protein structural motifs. J. Chem. Inf. Model. 2012, 52(2), 343–359.  MoleOnline: Berka K., Hanák O., Sehnal D., Banáš P., Navrátilová V., Jaiswal D., Ionescu C. M., Svobodová Vařeková R., Koča J., Otyepka M. MOLEonline 2.0: interactive web- based analysis of biomacromolecular channels. Nucleic Acids Res. 2012, 40(W1), W222– W227.  Mole 2.0: Sehnal D., Svobodová Vařeková R., Berka K., Pravda L., Navrátilová V., Banáš P, Ionescu C. M., Michal Otyepka M., Koča J. MOLE 2.0: advanced approach for analysis of biomacromolecular channels. J. Cheminform. 2013, 5, 39.  MotiveValidator: Svobodová Vařeková R., Jaiswal D., Sehnal D., Ionescu C.-M., Geidl S., Pravda L., Horský V., Wimmerová M., Koča J.: MotiveValidator: interactive web-based validation of ligand and residue structure in biomolecular complexes. Nucleic Acids Res. 2014, in press (gku426). Všechny uvedené nástroje jsou volně dostupné na adrese: 16

Závěr 17 SiteBinder MotiveQuery Mole MotiveValidato r MotiveValidat orDB Charge Calculator Vytvořili jsme sadu nástrojů pro vyhledávání, přikládání, charakterizaci a validaci strukturních motivů biomakromolekul. Všechny tyto nástroje naleznete zde: Neostýchejte se je vyzkoušet :-).

Více informací na posteru Případně u těchto kolegů: David Sehnal Lukáš Pravda Standa Geidl

Poděkování Masarykova Univerzita, Brno, Laboratoř výpočetní chemie: Prof. Jaroslav Koča, Dr. David Sehnal, Dr. Crina-Maria Ionescu, Lukáš Pravda, Stanislav Geidl, Deepti Jaiswal, Vladimír Horský Masarykova Univerzita, Brno, Glycobiochemická skupina: Prof. Michaela Wimmerová Univerzita Palackého, Olomouc: Dr. Karel Berka, Prof. Michal Otyepka, CERIT-SC, Brno: Prof. Luděk Matyska, Dr. Aleš Křenek University of California, San Diego, USA, prof. Abagyan Radka Svobodová: 19

Poděkování Masarykova Univerzita, Brno, Laboratoř výpočetní chemie: Prof. Jaroslav Koča, Dr. David Sehnal, Dr. Crina-Maria Ionescu, Lukáš Pravda, Stanislav Geidl, Deepti Jaiswal, Vladimír Horský Masarykova Univerzita, Brno, Glycobiochemická skupina: Prof. Michaela Wimmerová Univerzita Palackého, Olomouc: Dr. Karel Berka, Prof. Michal Otyepka, CERIT-SC, Brno: Prof. Luděk Matyska, Dr. Aleš Křenek University of California, San Diego, USA, prof. Abagyan Radka Svobodová: 20 Děkuji za pozornost :-)