DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkae337
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38686797
تاريخ النشر: 2024-04-30
المؤلف: Alessio Del Conte وآخرون
الموضوع الرئيسي: هيكل البروتين والديناميات
نظرة عامة
يتناول القسم التقدم في إطار شبكة تفاعل البقايا (RIN)، مع التركيز بشكل خاص على إصدار RING 4.0، وهو خادم ويب مصمم لتحليل التفاعلات غير التساهمية والتساهمية في هياكل البروتين. يقدم RING 4.0 تحسينات كبيرة، بما في ذلك تحديد سبعة أنواع من التفاعلات، مثل الروابط الهيدروجينية π، وروابط الهالوجين، ومواقع تنسيق أيونات المعادن. يستخدم البرنامج الآن القاموس الكيميائي الكامل لبنك بيانات البروتين (PDB)، الذي يشمل أكثر من 35,000 جزيء مختلف، مما يعزز قدرته على توفير شبكات تفاعل مفصلة. بالإضافة إلى ذلك، أدت تحسينات البرنامج الأساسي إلى زيادة سرعة التنفيذ بمقدار عشرة أضعاف مقارنة بسابقه، RING 3.0.
تعمل واجهة الويب المعاد تصميمها لـ RING على تعزيز تفاعل المستخدم من خلال أدوات التصور المحسّنة، مما يسمح بتصور متزامن لمختلف أنواع التفاعلات. تم توسيع الموارد التعليمية والدروس الشاملة لدعم المستخدمين في التنقل عبر الميزات الجديدة. يهدف RING 4.0 إلى تسهيل فهم أعمق للتفاعلات الجزيئية التي تؤثر على استقرار ووظيفة الجزيئات الحيوية، مما يوفر رؤى قيمة لتصميم الأدوية والهندسة الجزيئية. يشير تضمين الخادم في خطة تقديم الخدمة لـ ELIXIR-Italy إلى التزامه بالاستمرار في التوفر والدعم في المجتمع العلمي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية البروتينات كجزيئات كبيرة ماكرومولكولية، حيث أن هياكلها ثلاثية الأبعاد وديناميكياتها ضرورية لوظائف الخلايا. تلعب التفاعلات غير التساهمية دورًا حاسمًا في استقرار هذه الهياكل وتسهيل الاتصال الجزيئي، بما في ذلك الألوستيرية والإشارات، غالبًا من خلال تفاعلات عابرة. يقدم القسم مفهوم شبكات تفاعل البقايا (RINs)، التي تمثل الأحماض الأمينية كعقد وتفاعلاتها كحواف، مما يسمح بتحليل مفصل لتفاعلات البروتين بناءً على الخصائص الفيزيائية والكيميائية والقيود الهندسية.
لقد تقدم مولد شبكة تفاعل البقايا (RING)، الذي تم تطويره منذ عام 2011، في تحليل RINs من الهياكل الثابتة إلى التطبيقات الديناميكية، مما ساهم في مجالات مختلفة مثل استقرار البروتين، والارتباط، والديناميات الجزيئية. يتم تقديم إصدار RING 4.0، مع التركيز على تحسينات تجربة المستخدم، وسرعة الحساب، والقدرة على تحليل مجموعة أوسع من المركبات الكيميائية. يقدم هذا الإصدار أيضًا أنواع تفاعل جديدة، بما في ذلك الروابط الهيدروجينية π وروابط الهالوجين، ويسمح بتصور شامل لشبكات التفاعل التي تشمل البروتينات، والنيوكليوتيدات، والدهون، والليغاندات، والجزيئات الصغيرة، مما يسهل فهمًا أكثر دقة لتفاعلات البروتين.
طرق
تم بناء خادم الويب RING على تطبيق RING، الذي شهد تعديلات وتحسينات كبيرة مقارنة بإصداره السابق. تشمل التقدمات الرئيسية توسيع حسابات التفاعل لتشمل جميع الليغاندات المتاحة في بنك بيانات البروتين (PDB) وإدخال فئات تفاعل جديدة. تتماشى هذه التحسينات مع المعايير المعاصرة في علم الأحياء الحاسوبي. علاوة على ذلك، تم تحسين وقت التنفيذ للحسابات، مما حقق تحسينًا بحوالي مرتبة واحدة من حيث الحجم. تتناول الأقسام التالية التغييرات المحددة التي تم تنفيذها في كل من التطبيق وخادم الويب منذ الإصدار الأخير.
نقاش
شهد تطبيق RING تحسينات كبيرة في تمثيله الداخلي وحسابات التفاعل، مما يسمح بتحليل أكثر شمولاً لهياكل البروتين. يدعم الإصدار المحدث الآن مجموعة أوسع من المكونات الكيميائية بخلاف الأحماض الأمينية والأحماض النووية، مستفيدًا من قاموس المكونات الكيميائية لبنك بيانات البروتين (CCD) لدمج أكثر من 35,000 إدخال. يقوم خوارزمية البحث العميق أولاً (DFS) بتحديد الحلقات المحتملة في الهياكل، بينما يمكن للبرنامج أيضًا إضافة ذرات الهيدروجين عند الضرورة، مما يحسن حسابات التفاعل. لقد حسنت دمج ملفات البيانات الكبيرة من كفاءة التنفيذ، مما يقلل من أوقات الحساب بشكل كبير للهياكل المعقدة.
فيما يتعلق بحسابات الروابط غير التساهمية، قام RING بتوسيع قدراته لتشمل أنواع تفاعل جديدة مثل الروابط الهيدروجينية π، وروابط الهالوجين، وتنسيق أيونات المعادن، جنبًا إلى جنب مع تعريفات محسّنة للتفاعلات الموجودة. لقد تم تحسين أداء البرنامج بشكل ملحوظ من خلال تنفيذ هياكل بيانات فعالة، مما أدى إلى تسريع أوقات المعالجة. كما تم إعادة تصميم واجهة خادم الويب لتحسين تجربة المستخدم، مما يسمح بتقديم مهام قابلة للتخصيص وتصويرات تفصيلية للإخراج، بما في ذلك الرسوم البيانية التفاعلية وعارضات الهياكل ثلاثية الأبعاد. يكشف تحليل توزيعات الاتصال عبر هياكل PDB عن اتجاهات ملحوظة في أنواع التفاعل، مما يبرز أهمية الروابط الهيدروجينية وπ-π stacking في استقرار المجمعات الجزيئية. بشكل عام، يمثل RING 4.0 تقدمًا كبيرًا في دراسة التفاعلات الجزيئية، مما يوفر رؤى قيمة لتصميم الأدوية والهندسة الجزيئية.
DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkae337
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38686797
Publication Date: 2024-04-30
Author(s): Alessio Del Conte et al.
Primary Topic: Protein Structure and Dynamics
Overview
The section discusses the advancements in the Residue Interaction Network (RIN) framework, particularly focusing on the release of RING 4.0, a web server designed to analyze non-covalent and covalent interactions in protein structures. RING 4.0 introduces significant improvements, including the identification of seven interaction types, such as π-hydrogen bonds, halogen bonds, and metal ion coordination sites. The software now utilizes the complete Protein Data Bank (PDB) chemical component dictionary, which encompasses over 35,000 different molecules, enhancing its capability to provide detailed interaction networks. Additionally, the optimization of the underlying software has resulted in a tenfold increase in execution speed compared to its predecessor, RING 3.0.
The redesigned RING web interface enhances user engagement through improved visualization tools, allowing simultaneous visualization of various interaction types. The comprehensive help resources and tutorials have been expanded to support users in navigating the new features. RING 4.0 aims to facilitate a deeper understanding of molecular interactions that influence biomolecular stability and function, thereby offering valuable insights for drug design and molecular engineering. The server’s inclusion in the Service Delivery Plan of ELIXIR-Italy underscores its commitment to ongoing availability and support in the scientific community.
Introduction
The introduction highlights the significance of proteins as large macromolecules whose three-dimensional structures and dynamics are essential for cellular functions. Noncovalent interactions play a critical role in stabilizing these structures and facilitating molecular communication, including allosterism and signaling, often through transient interactions. The section introduces the concept of Residue Interaction Networks (RINs), which model amino acids as nodes and their interactions as edges, allowing for a detailed analysis of protein interactions based on physico-chemical properties and geometrical constraints.
The Residue Interaction Network Generator (RING), developed since 2011, has advanced the analysis of RINs from static structures to dynamic applications, contributing to various fields such as protein stability, binding, and molecular dynamics. The introduction of RING 4.0 is presented, emphasizing enhancements in user experience, calculation speed, and the ability to analyze a broader range of chemical compounds. This version also introduces new interaction types, including π-hydrogen and halogen bonds, and allows for comprehensive visualization of interaction networks involving proteins, nucleotides, lipids, ligands, and small molecules, thereby facilitating a more nuanced understanding of protein interactions.
Methods
The RING web server is built upon the RING application, which has undergone significant modifications and enhancements compared to its previous iteration. Key advancements include the expansion of interaction calculations to encompass all ligands available in the Protein Data Bank (PDB) and the introduction of new interaction categories. These improvements align the application with contemporary standards in computational biology. Furthermore, the execution time for calculations has been optimized, achieving an enhancement of approximately one order of magnitude. The following sections detail the specific changes implemented in both the application and the web server since the last version.
Discussion
The RING application has undergone significant enhancements to its internal representation and interaction calculations, allowing for a more comprehensive analysis of protein structures. The updated version now supports a broader range of chemical components beyond amino acids and nucleic acids, utilizing the PDB Chemical Component Dictionary (CCD) to incorporate over 35,000 entries. A Depth First Search (DFS) algorithm identifies potential rings in the structures, while the software can also add hydrogen atoms where necessary, optimizing interaction calculations. The integration of extensive data files has improved execution efficiency, reducing computation times significantly for complex structures.
In terms of non-covalent bond calculations, RING has expanded its capabilities to include new interaction types such as π-hydrogen bonds, halogen bonds, and metal ion coordination, alongside optimized definitions for existing interactions. The software’s performance has been markedly improved through the implementation of efficient data structures, resulting in faster processing times. The web server interface has also been redesigned for enhanced user experience, allowing for customizable job submissions and detailed output visualizations, including interactive graphs and 3D structure viewers. The analysis of contact distributions across PDB structures reveals notable trends in interaction types, emphasizing the importance of hydrogen bonds and π-π stacking in stabilizing molecular complexes. Overall, RING 4.0 represents a significant advancement in the study of molecular interactions, offering valuable insights for drug design and molecular engineering.