הדגמה של יישור הרצף לחיזוי בין מינים כלי רגישות להערכה מהירה של שימור חלבונים

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשימוש בגרסה העדכנית ביותר של יישור הרצף של הסוכנות להגנת הסביבה של ארה”ב כדי לחזות רגישות בין מינים (SeqAPASS) כלי. פרוטוקול זה מדגים את היישום של הכלי המקוון לניתוח מהיר של שימור חלבונים ולספק תחזיות הניתנות להתאמה אישית וניתנות לפרשנות בקלות של רגישות כימית בין מינים.

Abstract

הכלי של הסוכנות להגנת הסביבה של ארה”ב לחיזוי רגישות בין מינים (SeqAPASS) הוא יישום סינון מקוון מהיר, זמין באופן חופשי, המאפשר לחוקרים ולרגולטורים לבצע אקסטרפולציה של מידע על רעילות בין מינים. עבור מטרות ביולוגיות במערכות מודל כגון תאים אנושיים, עכברים, חולדות ודגי זברה, נתוני רעילות זמינים עבור מגוון כימיקלים. באמצעות הערכה של שימור מטרות חלבונים, ניתן להשתמש בכלי זה כדי לבצע אקסטרפולציה של נתונים המופקים ממערכות מודל כאלה לאלפי מינים אחרים חסרי נתוני רעילות, מה שמניב תחזיות של רגישות כימית פנימית יחסית. המהדורות האחרונות של הכלי (גרסאות 2.0-6.1) שילבו תכונות חדשות המאפשרות סינתזה, פרשנות ושימוש מהירים בנתונים לפרסום בתוספת גרפיקה באיכות מצגת.

בין תכונות אלה ניתן למצוא תצוגות חזותיות של נתונים הניתנות להתאמה אישית ודוח סיכום מקיף שנועד לסכם נתוני SeqAPASS כדי להקל על הפרשנות. מאמר זה מתאר את הפרוטוקול להנחיית משתמשים בהגשת עבודות, ניווט ברמות השונות של השוואות רצפי חלבונים ופירוש והצגה של הנתונים המתקבלים. תכונות חדשות של SeqAPASS v2.0-6.0 מודגשות. יתר על כן, מתוארים שני מקרי שימוש המתמקדים בשימור חלבון טרנסתירטין וקולטן אופיואידים באמצעות כלי זה. לבסוף, נקודות החוזק והמגבלות של SeqAPASS נדונות כדי להגדיר את תחום הישימות של הכלי ולהדגיש יישומים שונים לאקסטרפולציה בין מינים.

Introduction

באופן מסורתי, תחום הטוקסיקולוגיה הסתמך במידה רבה על השימוש בניסויים בבעלי חיים שלמים כדי לספק את הנתונים הדרושים להערכות בטיחות כימיות. שיטות כאלה הן בדרך כלל יקרות ועתירות משאבים. עם זאת, בשל המספר הרב של כימיקלים המשמשים כיום והקצב המהיר שבו מתפתחים כימיקלים חדשים, ברחבי העולם יש צורך מוכר בשיטות יעילות יותר של סינון כימי ^1,2. הצורך הזה ושינוי הפרדיגמה שנוצר כתוצאה מכך מניסויים בבעלי חיים הובילו לפיתוח שיטות גישה חדשות רבות, כולל מבחני סינון בתפוקה גבוהה, תמלול בתפוקה גבוהה, ריצוף מהדור הבא ומידול חישובי, שהם אסטרטגיות ניסוי חלופיות^{מבטיחות 3,4.}

הערכת הבטיחות הכימית במגוון המינים שעלולים להיות מושפעים מחשיפה לכימיקלים הייתה אתגר מתמשך, לא רק עם בדיקות רעילות מסורתיות אלא גם עם שיטות גישה חדשות. ההתקדמות בטוקסיקולוגיה השוואתית וחזויה סיפקה מסגרות להבנת הרגישות היחסית של מינים שונים, וההתקדמות הטכנולוגית בשיטות חישוביות ממשיכה להגביר את תחולתן של שיטות אלה. מספר אסטרטגיות נדונו בעשור האחרון הממנפות מסדי נתונים קיימים של רצפי גנים וחלבונים, יחד עם ידע על מטרות מולקולריות כימיות ספציפיות, כדי לתמוך בגישות ניבוי לאקסטרפולציה בין מינים ולשפר את הערכות הבטיחות הכימיות מעבר לאורגניזמי המודל הטיפוסיים 5,6,7,8.

כדי לקדם את המדע לפעולה, להתבסס על מחקרים בסיסיים אלה בטוקסיקולוגיה מנבאת, לתעדף מאמצי בדיקה כימית ולתמוך בקבלת החלטות, נוצר הכלי “יישור רצף” של הסוכנות להגנת הסביבה של ארה”ב לחיזוי רגישות בין מינים (SeqAPASS). כלי זה הוא יישום מבוסס אינטרנט ציבורי וזמין באופן חופשי המשתמש במאגרים ציבוריים של מידע על רצף חלבונים המתרחב ללא הרף כדי לחזות רגישות כימית על פני מגוון המינים⁹. בהתבסס על העיקרון שניתן לקבוע את הרגישות הפנימית היחסית של מין מסוים לכימיקל מסוים על ידי הערכת השימור של מטרות החלבון הידועות של אותו כימיקל, כלי זה משווה במהירות רצפי חומצות אמינו של חלבון ממין עם רגישות ידועה לכל המינים עם נתוני רצף חלבונים קיימים. הערכה זו הושלמה באמצעות שלוש רמות של ניתוח, כולל (1) רצף חומצות אמינו ראשוניות, (2) תחום תפקודי, ו-(3) השוואות של שאריות חומצות אמינו קריטיות, שכל אחת מהן דורשת ידע מעמיק יותר באינטראקציה הכימית בין החלבון ומספקת רזולוציה טקסונומית גדולה יותר בחיזוי הרגישות. נקודת החוזק העיקרית של SeqAPASS היא שמשתמשים יכולים להתאים אישית ולחדד את ההערכה שלהם על ידי הוספת שורות נוספות של ראיות לשימור מטרות בהתבסס על כמות המידע הזמין לגבי האינטראקציה הכימית או החלבון-חלבון המעניינת.

הגרסה הראשונה שוחררה בשנת 2016, אשר אפשרה למשתמשים להעריך רצפי חומצות אמינו ראשוניות ותחומים פונקציונליים באופן יעיל לחיזוי רגישות כימית והכילה יכולות הדמיה מינימליות של נתונים (טבלה 1). הבדלים בין חומצות אמינו בודדות הוכחו כגורמים חשובים להבדלים בין מינים שונים באינטראקציות בין כימיקלים לחלבונים, שיכולים להשפיע על הרגישות הכימית של מינים^10,11,12. לכן, גרסאות מאוחרות יותר פותחו כדי לשקול את חומצות האמינו הקריטיות החשובות לאינטראקציה כימית ישירה¹³. בתגובה למשוב של בעלי עניין ומשתמשים, כלי זה עבר מהדורות גרסה שנתיות עם תכונות חדשות נוספות שנועדו לענות על הצרכים של חוקרים וקהילות רגולטוריות להתמודדות עם אתגרים באקסטרפולציה בין מינים (טבלה 1). ההשקה של SeqAPASS גירסה 5.0 בשנת 2020 הביאה תכונות ממוקדות משתמש המשלבות אפשרויות תצוגה חזותית של נתונים וסינתזת נתונים, קישורים חיצוניים, אפשרויות טבלת סיכום ודוח ותכונות גרפיות. בסך הכל, התכונות והיכולות החדשות של גרסה זו שיפרו את סינתזת הנתונים, את יכולת הפעולה ההדדית בין מסדי נתונים חיצוניים ואת הקלות של פרשנות נתונים לחיזוי רגישות בין מינים.

Protocol

1. תחילת העבודה הערה: הפרוטוקול המוצג כאן מתמקד בכלי השירות ובתכונות העיקריות. תיאורים מפורטים של שיטות, תכונות ורכיבים ניתן למצוא באתר במדריך מקיף למשתמש (טבלה 1). טבלה 1: האבולוציה של הכלי SeqAPASS. רשימה של תכונות ועדכונים שנוספו לכלי Seq…

Representative Results

כדי להדגים את היישום של הכלי SeqAPASS ולהדגיש תכונות חדשות, מתוארים שני מקרי בוחן המייצגים מקרים שבהם שימור חלבונים מנבא כי ישנם הבדלים ברגישות הכימית בין מינים (טרנסתירטין אנושי) וכי אין הבדלים (μ קולטן אופיואידי [MOR]). הראשונה שבהן עוסקת ברצף חלבונים/השוואות מבניות כדי לחזות את תחום הישימות ש?…

Discussion

קיימת הכרה נרחבת בכך שלא ניתן לבחון באופן אמפירי מספיק מינים כדי ללכוד את המגוון הגנומי, הפנוטיפי, הפיזיולוגי וההתנהגותי של אורגניזמים חיים שעשויים להיות חשופים לכימיקלים בעלי עניין טוקסיקולוגי. המטרה של SeqAPASS היא למקסם את השימוש ברצף חלבונים קיים ומתרחב ללא הרף ובנתונים מבניים כדי לסייע…

Materials

Spreadsheet program	N/A	N/A	Any program that can be used to view and work with csv files (e.g. Microsoft Excel, OpenOffice Calc, Google Docs) can be used to access data export files.
Basic computing setup and internet access	N/A	N/A	SeqAPASS is a free, online tool that can be easily used via an internet connection. No software downloads are required.