Immunome Research, 2007; 3: 3-3 (más artículos en esta revista)

EpitopeViewer: una aplicación Java para la visualización y análisis de epítopos inmune a la base de datos de Inmunodeficiencia epítopo y Análisis de Recursos (IEDB)

BioMed Central
John E Beaver (jbeaver@sdsc.edu) [1], Philip E Bourne (bourne@sdsc.edu) [1], Julia V Ponomarenko (jpon@sdsc.edu) [1]
[1] San Diego superordenador Center, University of California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093, EE.UU.
[2] Departamento de Farmacología de la Universidad de California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093, EE.UU.

Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0], que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que la obra original es debidamente citados.

Resumen
Fondo

Estructurales información acerca de epítopos, en particular las tres dimensiones (3D) de estructuras complejas de antígenos inmune con los receptores, se presenta una valiosa fuente de datos para la inmunología. Esta información está disponible en el Protein Data Bank (PDB) y siempre en forma comisariada por la base de datos de Inmunodeficiencia epítopo y Análisis de Recursos (IEDB). Con un crecimiento continuado en estos datos y la importancia en la comprensión de las interacciones moleculares a nivel de interés inmunológico existe una necesidad de nuevas especializados molecular de visualización y herramientas de análisis.

Resultados

El EpitopeViewer es una plataforma independiente de aplicaciones Java para la visualización tridimensional de la estructura y secuencia de epítopos y análisis de su interacción con el antígeno específico de los receptores del sistema inmune (anticuerpos, células T receptores y las moléculas de MHC). El visor 3D hace que ambos puntos de vista y de dos dimensiones de las parcelas interacciones interacciones entre el antígeno y receptor (s) de lectura de datos curada de la IEDB y / o calculada sobre la marcha de átomo coordenadas de la AP. Los puntos de vista en 3D y las interacciones pueden ser guardados para su uso en el futuro y la publicación. El EpitopeViewer se puede acceder desde el sitio Web de IEDB http://www.immuneepitope.org a través del enlace rápido "Navegar Documentos de Estructura 3D '.

Conclusión

El EpitopeViewer está diseñado y se ha probado para su uso por inmunólogos con poca o ninguna formación en gráficos moleculares. El EpitopeViewer puede ser lanzado desde más populares navegadores Web, sin intervención del usuario. A Java Runtime Environment (RJE) 1.4.2 o superior es obligatorio.

Fondo

La base de datos de Inmunodeficiencia epítopo y Análisis de Recursos (IEDB) tiene como objetivo catalogar y proporcionar herramientas para el análisis de epítopos inmune, definido por la IEDB como moléculas reconocidas por los receptores inmunes (anticuerpos, moléculas MHC y los receptores de células T) [1, 2]. Las tres dimensiones (3D) de estructuras de epítopos y antígenos en complejos inmunes con los receptores son componentes importantes de la IEDB. La información básica sobre estas estructuras moleculares está disponible en el Protein Data Bank (PDB) [3]. A partir de febrero de 2007, la AP que figuran más de 700 estructuras de complejos inmunológicos de interés. Estos datos brutos de la AP se comisariada epítopo para proporcionar entradas a la IEDB. Se necesitan herramientas para ayudar a los inmunólogos a comprender plenamente las interacciones moleculares de interés.

Las actuales herramientas de visualización moleculares que permiten al usuario visualizar y hacer que las estructuras bioquímicas incluyen popular y de libre acceso independiente aplicaciones que se ejecutan en el escritorio como DeepView / Swiss-PdbViewer [4], RasMol [5], Jmol [6], PyMOL [7 ], BALLView [8], Cn3D [9], MDL Chime [10] y muchos otros, incluidos los comerciales de espectadores. Algunos de estos espectadores van más allá de la visualización y ofrecen funcionalidad para el modelado molecular y la simulación. Por ejemplo, DeepView ofrece modelado, incluyendo aminoácidos mutación, la energía y la reducción al mínimo de homología y modelado molecular BALLView incluye métodos mecánicos. Cada una de estas herramientas requiere que el usuario descargue e instale una aplicación en su equipo cliente. Las aplicaciones que pueden ser lanzados directamente desde un navegador Web incluyen el Rey (Kinemage, Next Generation) [11], JmolApplet [6] y ProteinWorkshop de la AP [12]. Para obtener más información acerca de los televidentes molecular disponible se puede visitar el Índice Mundial de Recursos de Visualización Molecular página web [13]. Un ejemplo de los recursos enumerados en este caso es la línea Macromoleculares Museo [14], que proporciona visualización (con Chime) de las estructuras de anticuerpos y las moléculas MHC. Otro es el anticuerpo de recursos [15], también desarrollado utilizando Chime. Los asociados navegador basado en SPICE espectador [16] muestra las anotaciones de las proteínas de AP, UniProt y Ensembl. Por último, el recientemente desarrollado epítopo conformacional Base de Datos [17] y Resumen [18] proporcionar epítopo conformacional visualización Jmol realiza utilizando los applets de Java.

Navegador web basado en Java-applets tienen la ventaja de la facilidad de uso - no existe una aplicación para descargar e instalar - pero por lo general no se caracterizan por su alta calidad gráfica y la funcionalidad de archivo de exportación proporcionados por la mayoría de los televidentes independiente, por ejemplo, PyMOL [7 ], Cn3D [9] y BALLView [8]. La disponibilidad de las herramientas de Biología Molecular (MBT) [19], con su uso de las bibliotecas de gráficos 3D, posibilita el desarrollo de Java-applets ofrece alta calidad de gráficos y exportación de la publicación de imágenes de calidad. Esto ya ha sido demostrado por el desarrollo de aplicaciones tales como la proteína quinasa visor de recursos [20], ligando Explorer (LigPro) [21] y ProteinWorkshop [12]. MBT proporciona una bien organizada surtido básico de las clases que proporcionan un modelo uniforme de datos para la descripción de estructuras biológicas y automatiza las tareas más comunes asociados con el desarrollo de aplicaciones en las ciencias moleculares, por ejemplo, carga de datos, obtención de información estructural típico, visualización de secuencia y el nivel estructural entidades [19].

En este sentido, el presente EpitopeViewer, una herramienta de visualización basados en MBT y desarrollado para la visualización y análisis de estructuras 3D de epítopos inmunológico y su interacción con los receptores inmunes. El EpitopeViewer se desarrolla como un navegador web basado en Java y aplicación debería funcionar en cualquier ordenador con Java habilitado (por defecto). El EpitopeViewer está específicamente diseñado para trabajar con los datos sobre las intervenciones estructurales epítopos curada y siempre en la IEDB.

Detalles de la implementación y características

El EpitopeViewer se implementa como un navegador web basado en Java empezado a utilizar la aplicación Java Web Start. Puesta en marcha de la EpitopeViewer requiere Java Runtime Environment 1.4.2 o superior debe estar instalado en el PC del usuario. Los componentes de software necesarios para la herramienta se descargan e instalan en el PC del usuario automáticamente durante el proceso de lanzamiento al espectador con el permiso del usuario. Todos los componentes de software libremente disponible. Como se ha indicado anteriormente, la EpitopeViewer se basa en las herramientas de Biología Molecular [19], un conjunto de clases base de Java para visualizar una variedad de datos biológicos. El EpitopeViewer y MBT están escritos en Java y el uso JOGL (Java para OpenGL vinculante [22]]. Incluso para la más grande estructura de la AP [AP: 1HTQ ] Con 97872 átomos, MBT cargas en aproximadamente un minuto, requiere aproximadamente 350 MB de RAM, y es capaz de hacer 0.5-6 fotogramas por segundo (tarjeta de video dependientes). Para que una estructura promedio en la AP [por ejemplo, AP: 1ATP ], MBT requiere unos 60 MB de RAM, y hace aproximadamente 20-120 fotogramas por segundo (tarjeta de video dependientes). El MBT código funciona correctamente con alrededor del 90% de las actuales tarjetas de video a prueba.

El EpitopeViewer utiliza como entrada de datos tanto AP en formato XML y XML-comisariada con archivos de datos generados a partir de la IEDB. La versión actual (1.0) de la herramienta tiene un panel de control en el lado derecho y cuatro ventanas de vista: una estructura 3D ventana de un árbol ventana (ventana mostrando una vista jerárquica de antígenos y anticuerpos a la derecha del panel de control), una secuencia ventana ( "Full Secuencias" ventana en la Fig. 1], y una ventana de contacto ( "antígeno-anticuerpo Contactos" ventana en la Fig. 2].

La estructura 3D proporciona una ventana renderable vista de la estructura de los complejos inmunológicos (Fig. 1], y epítopo inmune del receptor de residuos de interactuar con epítopo en un átomo de representación (Fig. 2] o contactos entre epítopo y receptor y sus atómica interacciones (Fig. 3]. Por defecto el EpitopeViewer señala a las cadenas de proteínas del antígeno y del receptor (s) como sólidos lazos con la cadena de proteína cada trazado en un color diferente. Epítopo residuos son de color azul y en inmunitario del receptor de los residuos que interactúan con el epítopo en amarillo. Epítopo residuos que no son los aminoácidos son impresos en todos los átomo representación por defecto. La estructura vista en 3D se pueden guardar en una variedad de formatos de gráficos utilizando el "Guardar Imagen 3D" botón derecho sobre el panel de control del telespectador.

El árbol proporciona una ventana de vista jerárquica de los componentes de una determinada molécula: cadenas, Complementariedad-Determinación de Regiones (CDRs; donde curada) y los residuos. El árbol ventana permite al usuario seleccionar componentes particulares para una mayor manipulación (por ejemplo, el etiquetado, para colorear) y análisis de las interacciones.

La secuencia muestra la ventana principal de las secuencias de antígenos y las cadenas de proteínas del receptor. Para los antígenos distintos de proteínas (hidratos de carbono, ADN / ARN, etc) los nombres de residuos no se muestran sino más bien marcados con un asterisco.

El contacto proporciona una ventana 2D parcela de interacciones entre epítopo y receptor de residuos. Los contactos no se muestran de forma predeterminada, sino que se muestra mediante el panel de control opciones de la selección de determinado tipo (s) de los contactos para la visualización (antígeno del receptor o sus cadenas, CDR (s) o residuos) en el árbol ventana. La selección también puede hacerse en la estructura 3D o la secuencia de ventanas haciendo clic en los residuos apropiados.

Código de colores se conserva entre todas las ventanas. El valor por defecto para los colores epítopo, antígeno, inmunitario del receptor de residuos y la interacción del receptor de las cadenas han sido seleccionados para satisfacer color ciego usuarios utilizando el software Vischeck [23].

Curada de los datos sobre IEDB inmune del receptor de los residuos que interactúan con el epítopo (etiquetada como paratope de anticuerpos) se muestran por defecto. En los casos en que la IEDB no proporciona información comisariada por ejemplo, el receptor de residuos de interactuar con el epítopo se calculan por la EpitopeViewer sobre la base de sal puentes, van der Waals e hidrofóbicas entre las interacciones átomo. Estas interacciones entre epítopo inmune del receptor y se calculan por el espectador sobre la marcha y previstas tanto curada y calculada del receptor de los residuos que interactúan con el epítopo. Salt puentes (o pares de iones) se identifican por el acusado lado la cadena de átomos de Asp, Glu, Arg, Lys y Su aminoácidos. Se supone que la carga negativa lado la cadena de átomos de los aminoácidos Asp (átomos OD2, OD1), Glu (átomos OE2, OE1) son capaces de formar puentes de sal con carga positiva lado la cadena de átomos de aminoácidos Arg (átomos NH1, NH2 ), Lys (átomo NZ), y Su (átomo ND1, NE2) dentro de una distancia 4Å [24]. Para determinar van der Waals contacto entre dos átomos, utilizamos una distancia de corte igual a la suma de dos radios atómicos más 0.5Å. Para los aminoácidos que utilizamos van der Waals radios, tal como se define en el programa NACCESS [25], para otros átomos de van der Waals radios fueron tomados de Bondi [26]. En las interacciones hidrofóbicas se derivan del supuesto de que dos átomos están involucrados en la interacción hidrofóbica si están separados entre sí por una distancia ≤ 5,0 Å y pertenecen a la principal cadena de aminoácidos cualquier lado o cadena de aminoácidos hidrófobos (Ala, Val, Pro , Phe, Met, Leu, Ile, Trp, Tyr, Cys).

Un usuario tutorial (página web en formato html) y la página de ayuda (en texto plano en ventana emergente) se incluyen con el EpitopeViewer.

Resultados y Discusión

La versión 1,0 de la EpitopeViewer ofrece las siguientes funcionalidades:

• Visualización y renderizado 3D de la estructura de un complejo inmunológico y secuencias de epítopo, antígeno, antígeno-específica del receptor (s), CDRs y curada dentro de la IEDB.

• visualización 3D-curada de las interacciones entre epítopo y receptor, así como derivados de van der Waals y las interacciones hidrofóbicas (calculado sobre la marcha), incluidas en contacto con los residuos, los átomos y las distancias en contacto.

• 2D-visualización (parcela) de inter-molecular entre las interacciones de residuos.

• para colorear de determinados residuos (s), CDR (s), las cadenas de proteínas, el tipo de contactos para epítopo / receptor de la interacción y el fondo.

• Etiquetado de los residuos y los átomos.

• para colorear de la no-proteína átomos de acuerdo con el tipo átomo.

• Opción de presentación de las moléculas de agua y no la proteína átomos.

• Acceso directo a los detalles de la estructura se encuentra en el RCSB AP.

• Una opción de guardar las imágenes en 3D de la estructura y la interacción parcela en formato gráfico JPEG y de resolución (tamaño de pixel).

Esta funcionalidad está demostrado y discutido en esta sección utilizando como ejemplo el virus de la gripe A epítopo.

Figuras 1, 2, 3 se presenta el epítopo de virus de la gripe A (H3N2 cepa A/Memphis/31/98) neuraminidasa reconocido por el fragmento Fab del anticuerpo monoclonal Mem5 y comisariada por la IEDB [IEDB: 1000520] de acuerdo con la estructura de neuraminidasa en el complejo con Mem5 Fab [AP: 2AEP ] [27]. La figura 1 es una pantalla-shot de la EpitopeViewer que muestra la estructura de la compleja y secuencias de antígenos y anticuerpos. La neuraminidasa se muestra en blanco, epítopo en azul, luz de anticuerpos en la cadena de verde-azulado, de anticuerpos de cadena pesada en color marrón rojizo y amarillo en paratope. Los hidratos de carbono adjunta a la Asn200 de residuos de los antígenos forma parte del epítopo. Se muestra en un átomo de representación de color azul. Figura 2 es una pantalla-shot de la EpitopeViewer mostrando la sal puentes entre epítopo residuos y el CDR H2 del anticuerpo. La Figura 3 muestra una vista cercana de los contactos entre la neuraminidasa residuo Glu199 y Mem5 Fab. Glu199 es la más crítica de residuos a la interacción ya que las mutaciones en la posición 199 se encontraron anticuerpos en escapar de virus mutantes que no interactúan con los anticuerpos Mem5 [27]. Se puede observar que este residuo realiza amplias interacciones con electrostática de Tyr33 CDR H1, Arg52 de CDR H2 y Tyr94 de la CDR L3.

El espectador se ha puesto a prueba en comisariada estructuras disponibles en la IEDB. Epítopos inferirse de las estructuras 3D de antígenos en los complejos inmunes con los receptores pueden ser recuperados y se muestran en la EpitopeViewer de la IEDB sitio web [2] mediante un rápido enlace 'Búsqueda de Documentos Estructura 3D ».

Conclusión

El EpitopeViewer es una web accesible herramienta para su uso inmediato en la visualización y análisis de estructuras 3D de epítopos inmunológico y su interacción con los receptores inmunes curada y disponibles en la base de datos IEDB. El EpitopeViewer ha sido desarrollado en colaboración con inmunólogos de aumentar al máximo la usabilidad. La herramienta fue probada por inmunólogos participan en la herramienta de análisis de IEDB Jamboree en Bethesda, EE.UU. (4 de noviembre de 2005) y dirigió sus comentarios. Ensayos adicionales y el desarrollo fue facilitado a través de una estrecha colaboración con los científicos en La Jolla Institute for Allergy and Immunology (LIAI). El EpitopeViewer ha sido probado en epítopos estructurales y comisariada disponibles en la IEDB.

Disponibilidad y requisitos

Nombre del proyecto: EpitopeViewer

Proyecto página: http://www.immuneepitope.org

Sistema operativo (s): Plataforma independiente

Lenguaje de programación: Java

Otros requisitos: Java Run Time 1.4.2 o superior Medio Ambiente

Licencia: Gratis para educación, investigación y sin ánimo de lucro efectos

Todas las restricciones al uso de no-académicos: Póngase en contacto con la Universidad de California en San Diego la Oficina de Transferencia de Tecnología ( invent@ucsd.edu , 1-858-534-5815)

Lista de abreviaturas

IEDB - inmune epítopo base de datos y análisis de recursos

IEDB ID - IEDB único identificador numérico asignado por el sistema para cada epítopo en cada referencia que figura en la IEDB.

AP - banco de datos de proteínas

AP ID - de cuatro caracteres de proteínas Banco de Datos de Identificación de la estructura

MHC - Complejo Mayor de Histocompatibilidad

RDC - Complementariedad-Determinación de la Región

MBT - Biología Molecular Toolkit

3D - en tres dimensiones

XML - eXtensible Markup Language

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

JB programado la herramienta y participó en el diseño de la herramienta.

PEB es el principio Investigador del proyecto, concibió la idea de los MBT software, participó en la coordinación del proyecto, sugirió la funcionalidad general y revisó el manuscrito.

JVP conceptualizado y diseñado el instrumento, coordinó el proyecto, siempre que los datos científicos y objetivos para la herramienta y redactó el manuscrito.

Todos los autores leído y aprobado el manuscrito final.

Agradecimientos

La labor fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud de contrato HHSN26620040006C.

Los autores desean reconocer Dr Alex Sette, el doctor Huynh-Hoa Bui, el doctor Bjoern Peters, el doctor Ward Fleri y otros inmunólogos de La Jolla el Instituto de Alergia e Inmunología (LIAI) que participan en el proyecto IEDB útil para los debates y poner a prueba los EpitopeViewer. Gracias a Scott Stewart, Scott Way, Thomas Carolan y otros programadores de la Corporación Internacional de Aplicaciones Científicas (SAIC) para hacer la herramienta disponible en la IEDB sitio web.