Demonstration av sekvensjusteringen för att förutsäga över arters känslighetsverktyg för snabb bedömning av proteinbevarande

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att använda den senaste versionen av verktyget US Environmental Protection Agency Sequence Alignment to Predict Across Species Susceptibility (SeqAPASS). Detta protokoll visar tillämpningen av onlineverktyget för att snabbt analysera proteinbevarande och ge anpassningsbara och lättolkade förutsägelser om kemisk mottaglighet mellan arter.

Abstract

Verktyget Us Environmental Protection Agency Sequence Alignment to Predict Across Species Susceptibility (SeqAPASS) är en snabb, fritt tillgänglig online-screeningapplikation som gör det möjligt för forskare och tillsynsmyndigheter att extrapolera toxicitetsinformation mellan arter. För biologiska mål i modellsystem som mänskliga celler, möss, råttor och zebrafiskar finns toxicitetsdata tillgängliga för en mängd olika kemikalier. Genom utvärdering av proteinmålbevarande kan detta verktyg användas för att extrapolera data som genereras från sådana modellsystem till tusentals andra arter som saknar toxicitetsdata, vilket ger förutsägelser om relativ inneboende kemisk mottaglighet. De senaste versionerna av verktyget (versionerna 2.0-6.1) har införlivat nya funktioner som möjliggör snabb syntes, tolkning och användning av data för publicering plus grafik av presentationskvalitet.

Bland dessa funktioner finns anpassningsbara datavisualiseringar och en omfattande sammanfattande rapport som är utformad för att sammanfatta SeqAPASS-data för enkel tolkning. Detta dokument beskriver protokollet för att vägleda användare genom att skicka jobb, navigera i de olika nivåerna av proteinsekvensjämförelser och tolka och visa resulterande data. Nya funktioner i SeqAPASS v2.0-6.0 markeras. Dessutom beskrivs två användningsfall fokuserade på transtyretin och opioidreceptorproteinbevarande med hjälp av detta verktyg. Slutligen diskuteras SeqAPASS styrkor och begränsningar för att definiera tillämplighetsdomänen för verktyget och lyfta fram olika applikationer för extrapolering mellan arter.

Introduction

Traditionellt har toxikologiområdet i hög grad förlitat sig på användningen av tester för hela djur för att tillhandahålla de uppgifter som krävs för kemikaliesäkerhetsbedömningar. Sådana metoder är vanligtvis kostsamma och resurskrävande. På grund av det stora antalet kemikalier som för närvarande används och den snabba takt med vilken nya kemikalier utvecklas finns det globalt ett erkänt behov av effektivare metoder för kemisk screening ^1,2. Detta behov och det resulterande paradigmskiftet bort från djurförsök har lett till utvecklingen av många nya metodmetoder, inklusive screeninganalyser med hög genomströmning, transkriptomik med hög genomströmning, nästa generations sekvensering och beräkningsmodellering, som lovar alternativa teststrategier ^3,4.

Att utvärdera kemikaliesäkerheten för de olika arter som kan påverkas av kemisk exponering har varit en bestående utmaning, inte bara med traditionella toxicitetstester utan också med nya metoder. Framsteg inom jämförande och prediktiv toxikologi har gett ramar för att förstå den relativa känsligheten hos olika arter, och tekniska framsteg inom beräkningsmetoder fortsätter att öka tillämpligheten av dessa metoder. Flera strategier har diskuterats under det senaste decenniet som utnyttjar befintliga gen- och proteinsekvensdatabaser, tillsammans med kunskap om specifika kemiska molekylära mål, för att stödja prediktiva metoder för extrapolering mellan arter och förbättra kemikaliesäkerhetsutvärderingar utöver de typiska modellorganismerna 5,6,7,8.

För att främja vetenskapen till handling, bygga vidare på dessa grundläggande studier inom prediktiv toxikologi, prioritera kemiska testinsatser och stödja beslutsfattande, skapades verktyget US Environmental Protection Agency Sequence Alignment to Predict Across Species Susceptibility (SeqAPASS). Detta verktyg är en offentlig och fritt tillgänglig webbaserad applikation som använder offentliga förvar av ständigt växande proteinsekvensinformation för att förutsäga kemisk mottaglighet över mångfalden av arter⁹. Baserat på principen att en arts relativa inneboende mottaglighet för en viss kemikalie kan bestämmas genom att utvärderabevarandet av de kända proteinmålen för den kemikalien, jämför detta verktyg snabbt proteinaminosyrasekvenser från en art med känd känslighet för alla arter med befintliga proteinsekvensdata. Denna utvärdering slutförs genom tre analysnivåer, inklusive (1) primär aminosyrasekvens, (2) funktionell domän och (3) kritiska jämförelser av aminosyrarester, var och en kräver mer djupgående kunskap om interaktionen mellan kemikalier och protein och ger större taxonomisk upplösning i känslighetsförutsägelsen. En stor styrka med SeqAPASS är att användare kan anpassa och förfina sin utvärdering genom att lägga till ytterligare bevislinjer mot målbevarande baserat på hur mycket information som finns tillgänglig om interaktionen mellan kemiskt protein eller protein-protein och intressant.

Den första versionen släpptes 2016, vilket gjorde det möjligt för användare att utvärdera primära aminosyrasekvenser och funktionella domäner på ett strömlinjeformat sätt för att förutsäga kemisk mottaglighet och innehöll minimala datavisualiseringsfunktioner (tabell 1). Individuella aminosyraskillnader har visat sig vara viktiga determinanter för skillnader mellan arter i interaktioner mellan kemikalier och protein, vilket kan påverka arternas kemiska känslighet^10,11,12. Därför utvecklades efterföljande versioner för att överväga de kritiska aminosyrorna som är viktiga för direkt kemisk interaktion¹³. Som svar på feedback från intressenter och användare har detta verktyg genomgått årliga versioner med ytterligare nya funktioner som är utformade för att möta behoven hos både forskare och regleringssamhällen för att hantera utmaningar vid extrapolering mellan arter (tabell 1). Lanseringen av SeqAPASS version 5.0 2020 tog fram användarcentrerade funktioner som innehåller alternativ för datavisualisering och datasyntes, externa länkar, sammanfattningstabell och rapportalternativ och grafiska funktioner. Sammantaget förbättrade de nya attributen och funktionerna i denna version datasyntesen, interoperabiliteten mellan externa databaser och den enkla datatolkningen för förutsägelser om mottaglighet mellan arter.

Protocol

1. Komma igång OBS: Protokollet som presenteras här är fokuserat på verktygsverktyg och nyckelfunktioner. Detaljerade beskrivningar av metoder, funktioner och komponenter finns på webbplatsen i en omfattande användarhandbok (tabell 1). Tabell 1: Utveckling av SeqAPASS-verktyget. En lista över funktioner och uppdateringar som lagts till i SeqAPASS-verktyget från den första distributionen. Förkortningar: SeqAP…

Representative Results

För att demonstrera tillämpningen av SeqAPASS-verktyget och lyfta fram nya funktioner beskrivs två fallstudier som representerar fall där proteinbevarande förutsäger att det finns skillnader i kemisk mottaglighet mellan arter (human transtyretin) och att det inte finns några skillnader (μ opioidreceptor [MOR]). Det första av dessa exempel behandlar proteinsekvens/strukturella jämförelser för att förutsäga tillämplighetsområdet för negativa utfallsvägar (AOP, se tabell 2 för definition)…

Discussion

Det finns ett brett erkännande av att det inte är möjligt att empiriskt testa tillräckligt med arter för att fånga den genomiska, fenotypiska, fysiologiska och beteendemässiga mångfalden hos levande organismer som kan utsättas för kemikalier av toxikologiskt intresse. Målet med SeqAPASS är att maximera användningen av befintliga och kontinuerligt expanderande proteinsekvens- och strukturdata för att underlätta och informera extrapoleringen av kemiska toxicitetsdata / kunskap från testade organismer till h…

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.