Функциональная аннотация 2D протеиновых карт: портал GelMap

Майкл Сенклер
Ганс-Петер Браун
Аннотация
Вступление
Пакет программ GelMap
Таблица 1
Портал GelMap
Интеграция GelMap в MASCP Gator
перспективы
Заявление о конфликте интересов
Подтверждения
Рекомендации

Front Plant Sci. 2012; 3: 87.

Майкл Сенклер

1Институт генетики растений, Лейбницкий университет Ганновера, Ганновер, Германия

Ганс-Петер Браун

1Институт генетики растений, Лейбницкий университет Ганновера, Ганновер, Германия

Под редакцией: Джошуа Л. Хизлвуд, Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли, США

Отзыв: Николас Л. Тейлор, Университет Западной Австралии, Австралия; Этьен Х. Мейер, Национальный научный центр Франции

* Переписка: Ханс-Петер Браун, Институт генетики растений, Университет Лейбница, Ганновер, улица Херренхойзер, 2, 30419 Ганновер, Германия. Эл. адрес: ed.revonnah-inu.kiteneg@nuarb

Эта статья была представлена в Frontiers in Plant Proteomics, специальность Frontiers in Plant Science.

Поступило в 2012 году 22 марта; Принято 2012 18 апреля.

Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях Лицензия Creative Commons Attribution некоммерческая , который разрешает некоммерческое использование, распространение и воспроизведение на других форумах, при условии, что авторы и источник были зачислены. Эта статья была цитируется другие статьи в PMC.

Аннотация

В классическом протеомном анализе окончательные экспериментальные данные представляют собой (а) изображения разделения белков 2D, полученные гель-электрофорезом, и (б) соответствующие списки белков, которые были идентифицированы масс-спектрометрией (МС). Для аннотации данных были разработаны программные средства, которые позволяют связывать данные о идентичности белка непосредственно с 2D гелями («кликабельные гели»). GelMap - это новый программный онлайн-инструмент для аннотирования 2D-карт белков. Он позволяет (i) функциональную аннотацию всех идентифицированных белков в соответствии с биологическими категориями, определенными пользователем, например, субклеточную локализацию, метаболический путь или назначение белкового комплекса, и (ii) аннотацию нескольких белков на «спот» анализируемого белка в соответствии с MS первичные данные. Варианты дифференциального отображения белков функциональных категорий открывают новые возможности для оценки данных. Например, если GelMap используется для аннотации 2D нативных синих / SDS-гелей, GelMap позволяет идентифицировать белковые комплексы с низким содержанием. Был создан веб-портал для представления и оценки данных об идентичности белков, связанных с 2D гелями, и он доступен для свободного доступа по адресу http://www.gelmap.de/ ,

Ключевые слова: протеомика, двумерный гель-электрофорез, масс-спектрометрия, аннотация данных, визуализация данных, веб-портал, программное обеспечение

Вступление

Протеомика направлена на выявление больших наборов белков в определенных биологических фракциях, например, тканевых или клеточных экстрактах, изолированных органеллах или белковых фракциях, полученных с помощью процедур биохимического приготовления. В качестве первого шага, различные белки различных фракций должны быть разделены. Разделение белка может быть достигнуто гель-электрофорезом или хроматографическими процедурами. Далее, белки должны быть идентифицированы. Идентификация белка сегодня почти исключительно проводится с помощью масс-спектрометрии (МС). Однако, поскольку масса нативного белка обычно не позволяет сделать какие-либо выводы о его идентичности, белки должны быть фрагментированы специфическими эндопептидазами перед массовым анализом для генерации определенных пептидов. Затем эти пептидные фрагменты ищутся в базе данных теоретически переваренных белков с использованием пакета программ, такого как MASCOT, SEQUEST или X! Тандем.

Во многих проектах по протеому для разделения белков используется одно- или двумерный (2D) гель-электрофорез. Следуя этой экспериментальной стратегии, белки сначала отделяют, затем индивидуально «отбирают» из гелей, обрабатывают эндопептидазой (трипсином) и, наконец, идентифицируют с помощью MS и опроса в базе данных. В результате создаются «эталонные карты протеома», которые состоят из изображений геля и связанной информации об идентичности белка. Карты протеома были разработаны в нескольких областях биологии и получили высокую оценку научного сообщества (см., Например, Gallardo et al., 2001 ; Комацу и др., 2004 ; Джавалиско и др., 2005 ).

Как опубликовать справочные карты белков? Первоначально карты были представлены исключительно в научных публикациях в виде изображений и длинных списков идентифицированных белков, которые назначены точкам на изображении с помощью стрелок и цифр. Около десяти лет назад были разработаны первые веб-ресурсы, которые предлагают интерактивные функции на картах: после «щелчка» по месту информация о белке отображается в небольшом всплывающем окне, которое иногда связано с дополнительной исходной информацией. в базах данных (примеры на http://seed.proteome.free.fr/ , http://gabi.rzpd.de/projects/Arabidopsis_Proteomics/ , http://gene64.dna.affrc.go.jp/RPD/ ).

Недавно был разработан программный пакет GelMap для аннотирования данных протеома на основе геля. Он предлагает несколько новых возможностей для публикации в Интернете справочных карт, например, функциональной аннотации белков и присвоения нескольких белков отдельным «пятнам» на геле (Rode et al., 2011a ). В следующих разделах мы обобщаем характеристики GelMap и вводим новые функции, которые были недавно внедрены в программный пакет GelMap (GelMap 2.0).

Пакет программ GelMap

GelMap предлагается в качестве веб-инструмента бесплатно на www.gelmap.de , Минимальные требования для построения новой карты: (а) файл изображения и (б) таблица белков, которая включает координаты точек на геле. Последняя таблица может быть создана «вручную» (путем считывания координат пятна из графического программного обеспечения, такого как Photoshop, GIMP или даже MS Paint), но обычно генерируется автоматически с помощью специализированных программных инструментов протеомики, таких как Delta2D (Decodon, Greifswald, Germany), DeCyder (GE Healthcare, Мюнхен, Германия) или Progenesis SameSpots (Нелинейная динамика, Ньюкасл, Великобритания). Чтобы использовать GelMap на полную мощность, таблица должна быть дополнена информацией о (1) идентификационном номере пятна (соответствующем номеру на изображении геля), (2) оценке вероятности талисмана (или оценке другого соответствующего программного пакета) (3) покрытие белка идентифицированными пептидами, (4) регистрационный номер белка, (5) база данных, используемая для идентификации белка, (6) распределение белка по функциональным категориям, таким как белковый комплекс, физиологическая область или внутриклеточная локализация, (7) молекулярная масса (рассчитанная и / или кажущаяся масса на геле) и т. д. (таблица). Чтобы GelMap распознавал идентификаторы, координаты, оценки, номера доступа и фильтры, вторая строка под строкой с именами столбцов должна включать специальные ключевые слова (таблица). Третья строка может содержать комментарии к подсказкам в виде электронной таблицы GelMaps (рисунок). Чтобы отметить столбцы высокой важности, четвертая строка может быть заполнена ключевым словом «show», и данные будут показаны в информационных окнах. Поскольку GelMap предоставляет трехуровневое дерево фильтров, пятая строка может определить, должен ли этот столбец использоваться в качестве (1) корневого уровня, (2) второго уровня или (3) фильтра третьего уровня. Эта управляющая информация требуется для полнофункциональной карты и задокументирована с примерами на www.gelmap.de/howto ,

de/howto ,

Эталонная карта митохондриального протеома Arabidopsis thaliana (Klodmann et al., 2011 ; http://www.gelmap.de/47 ) Белки разделяли с помощью 2D Blue native / SDS PAGE. Две иконки, приведенные в заголовке, позволяют получить доступ к «таблице белков» и «таблице пептидов».

Таблица 1

Названия столбцов и информация, включенная в файл «Белковая таблица» .

Название столбца / метка (первая строка) Ключевое слово GelMap (вторая строка) Общее описание / комментарий (третья строка) Показать (четвертая строка) Дерево фильтра (пятая строка) Интерпретация GelMap (как ключевое слово реализовано с помощью GelMap) ID ID Номер спота ID для Точечная идентификация XX Координаты по оси X X / Y-координаты используются для создания точечных окружностей на изображении. Автоматически масштабируется до Y Y Координата по оси y 800 * 800 пикселей Оценка по шкале MS SCORE Оценка вероятности талисмана Ранжирование для порядка нескольких попаданий на место Accession ACC Номера доступа в соответствии с базой данных Уникальный идентификатор в используемой базе данных для создания внешней ссылки База данных ACCSRC База данных для белка идентификация Используется для генерации базового URL-адреса для внешней ссылки. Название НАЗВАНИЕ Имя белка Заголовок окна быстрой информации при наведении пятна. Белковый комплекс. Свободный текст. Назначенный митохондриальный белковый комплекс. Показать 1 Свободные текстовые столбцы могут отображаться в информационном окне. специального назначения, например ссылки на внешние сайты или алгоритмы сортировки. Все поля отображаются в дополнительной «Таблице белков» Физиологическая функция Свободный текст Категоризация по физиологическим функциям 2 Субклеточная локализация Свободный текст Субклеточная локализация согласно SUBA II 3 Покрытие Свободный текст Покрытие последовательности белка Показать # Пептиды Свободный текст Количество совпадений уникальных пептидов хит белка Показать MM (рассчитано) Свободный текст Расчетная молекулярная масса Показать Масса приложения 2D Свободный текст Видимый мол. масса (второе измерение) Показать Масса приложения 1D Свободный текст Видимый мол. масса (первое измерение) Показать

Полученная таблица обозначена как «таблица белков» в GelMap 2.0. Файл изображения и файл «белок таблицы» могут быть загружены непосредственно на www.gelmap.de/create ,

Полученная карта состоит из гелевого изображения, бокового меню для функциональных категорий идентифицированных белков (справа) и рамок для параметров поиска (рисунок). Пятна, проанализированные MS, обведены кружком. На карте информация автоматически отображается следующим образом: (i) при наведении курсора на точку все белки, идентифицированные в этом месте, отображаются во всплывающей подсказке. Белки упорядочены в соответствии с их оценками вероятности талисмана (это, на полуколичественном уровне, отражает обилие идентифицированных белков в пределах белка). (ii) После нажатия на точку названия белков, включенные во всплывающую подсказку, преобразуются в ссылки, которые можно использовать для получения специфической для белка информации во втором информационном фрейме. В дополнение к информации о присоединении белка и расчетной молекулярной массе белка, этот фрейм может предлагать ссылки на внешнюю базу данных (через номер доступа) и на «таблицу белков» (ссылка «подробнее о белке»). «Таблицу белка» также можно открыть напрямую, используя значок в заголовке (рисунок). (iii) Белки, отнесенные к функциональным категориям, доступны через трехуровневое дерево в боковом меню. При нажатии на тему, включенную в это меню, все белки, входящие в эту категорию, автоматически выделяются кружками на изображении геля. В то же время подкатегории становятся видимыми по многим темам главного меню, которые позволяют по-разному визуализировать белки, назначенные на следующий функциональный уровень. Для получения подробной информации мы рекомендуем посетить один из установленных GelMaps, например, http://gelmap.de/47 ,

Чтобы отобразить первичные данные МС для всех идентифицированных белков, в GelMap 2.0 была введена вторая таблица, называемая «таблица пептидов» (рисунок). Эта таблица может включать информацию обо всех идентифицированных пептидах в пределах пятна. В случае с Arabidopsis thaliana BN / SDS map 1 таблица включает информацию о аминокислотных последовательностях пептидов, модификациях пептидов и положениях пептидов относительно полных белковых последовательностей (столбец «диапазон»: число первой и последней аминокислот пептида по отношению к N-концевой метионин). Последняя информация важна для интеграции гелевых карт в протеомные «метапорталы», которые реализуются на основе данных о положении пептидов (см. «Интеграция GelMap в GASC Gator»). Связанный значок для «таблицы пептидов» находится рядом со значком «таблицы белков» вверху (рисунок). Альтернативно, «таблица пептидов» доступна через текстовую ссылку в информационных кадрах для отдельных белков на изображении геля. Содержимое этой таблицы может быть свободно определено, если в первом столбце содержится идентификатор попадания, чтобы связать эту информацию с точками (см. http://www.gelmap.de/47 например).

Таким образом, GelMap предлагает следующие функции: Интересующие белки можно легко найти, используя различные параметры поиска или просматривая / перемещаясь / используя категории в боковом меню. Поскольку все белки аннотированы в соответствии с функциональными критериями, наборы белков, участвующих в метаболических процессах или других функциональных категориях, легко визуализируются. Подробную информацию об идентифицированных белках предоставляют информационные кадры, которые доступны через изображение геля. Справочная информация и необработанные данные по всем белкам приведены в «таблице белков» и «таблице пептидов», доступных непосредственно над каждой картой или через информационные рамки для отдельных белков. GelMap позволяет выполнять полную аннотацию данных MS для всех анализируемых белковых пятен: дается не только белок с наивысшей оценкой вероятности талисмана, но и все идентифицированные белки выше нижней границы, определяемые пользователем. Эта функция исключает любую потерю данных во время построения карты.

Портал GelMap

Портал GelMap был создан для создания и представления справочных карт. После завершения новой карты пользователь может решить сделать ее доступной через официальный сайт GelMap и / или по прямой ссылке, которая может быть представлена в публикациях. GelMap также позволяет частным (защищенным паролем) проектам обмениваться данными протеома в закрытой группе или анализировать результаты без их совместного использования. В настоящее время (28 февраля 2012 г.) на портале GelMap доступны четыре проекта:

Протеом семян Cyclamen persicum (Rode et al., 2011b ) 2 , В рамках этого проекта сравнивались протеомы зиготических и соматических эмбрионов. Идентифицированные белки относятся к 30 различным метаболическим путям в пределах 10 метаболических делений. Более того. В дополнение к функциям, упомянутым выше, этот GelMap позволяет по-разному отображать белки с измененным содержанием между двумя сравниваемыми белковыми фракциями. Это иллюстрирует различные расширения, которые легко могут быть реализованы на основе программного пакета GelMap.
Митохондриальный протеом A. thaliana, разделенный 2D Blue native / SDS PAGE (Klodmann et al., 2011 ; см. текстовую сноску 1). Эта карта основана на специальной процедуре разделения белков: белковые комплексы разделяются в нативных условиях в первом измерении геля, а субъединицы белковых комплексов в денатурирующих условиях во втором измерении, что осуществляется в присутствии SDS. На полученных гелях белки, принадлежащие к одному и тому же белковому комплексу, образуют вертикальный ряд пятен. Для 2D Blue native / SDS PAGE GelMap предлагает особые преимущества: выборочное отображение функциональных категорий позволяет идентифицировать вертикальное расположение белков с низким содержанием. Это привело к открытию новых белковых комплексов в митохондриях Arabidopsis. В рамках данного исследования было выявлено 471 не избыточных белков, которые были отнесены к более чем 35 белковым комплексам.
Митохондриальный протеом A. thaliana, разделенный 2D IEF / SDS PAGE (Taylor et al., 2011 ) 3 , Более 250 белков были идентифицированы и аннотированы на трех функциональных уровнях.
Митохондриальный протеом Oryza sativa (Huang et al., 2009 ) 4 , 146 не избыточных белков были идентифицированы и аннотированы на двух функциональных уровнях.

Несколько других проектов будут доступны в ближайшее время.

Интеграция GelMap в MASCP Gator

Недавно была создана утилита для агрегации протеома «MASCP Gator» для связи баз данных протеома для модельного растения A. thaliana (Joshi et al., 2011 ) 5 , На этой платформе одновременно отображаются данные о белке из разных международных хранилищ, что позволяет оценить глобальные знания о белке или нескольких белках. До сих пор проекты, интегрированные в MASCP Gator, представляли исключительно подходы к дробовому оружию, не основанные на 2D PAGE. С сентября 2011 года GelMap предлагает ограниченный интерфейс прикладного программирования («API»), который позволяет другим проектам (таким как Gator) запускать автоматические поисковые запросы в базе данных GelMap и собирать результаты. Два GelMaps, посвященные митохондриальному протеому арабидопсиса, совсем недавно были первыми гелевыми проектами, интегрированными в MASCP Gator. После представления образца белка пользователь GASCP Gator может напрямую обращаться к справочным картам по адресу www.gelmap.de (Рисунок). Информация о пептидах, доступных в GelMap, графически отображается на сайте MASCP Gator вместе с информацией о пептидах из других баз данных. В будущем GelMap откроет свою базу данных для полной интеграции в другие программные продукты.

В будущем GelMap откроет свою базу данных для полной интеграции в другие программные продукты

Интеграция митохондриальных эталонных карт в GelMap в MASCP Gator ( http://gator.masc-proteomics.org/ ) После представления образца белка (здесь: At2g47260), соответствующие пептиды из GelMap графически отображаются на сайте Gator. Прямой доступ к GelMap предоставляется по ссылкам в левом боковом меню Gator.

перспективы

Пакет программного обеспечения GelMap позволяет полностью аннотировать данные МС, соответствующие разделению белков 2D. Основываясь на его основных характеристиках - функциональной аннотации белков и в то же время аннотации полных наборов белков, идентифицированных в каждом месте, - это позволяет провести комплексную оценку наборов данных протеомов на основе геля. В будущем платформа GelMap будет использоваться для аннотации дальнейших проектов. В частности, планируется аннотация дополнительных органеллярных протеом у арабидопсиса. Интеграция этих проектов в MASCP Gator может вскоре обеспечить широкий охват протеома арабидопсиса гелевым анализом.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Подтверждения

Это исследование было поддержано Deutsche Forschungsgemeinschaft (Грант Br 1829 / 10-1).

результаты

трансляции