Pire

Phyre y Phyre2 ( Protein Homology/AnalogY Recognition Engine ; pronunciado como fire ) son servicios web gratuitos para la predicción de la estructura de proteínas . ^{[1] [2] [3]} Phyre es uno de los métodos más populares para la predicción de la estructura de proteínas y ha sido citado más de 1500 veces. ^{[4] Al igual que otras técnicas de reconocimiento} de homología remota (ver protein threading ), es capaz de generar regularmente modelos de proteínas confiables cuando otros métodos ampliamente utilizados como PSI-BLAST no pueden. Phyre2 ha sido diseñado para garantizar una interfaz fácil de usar para usuarios inexpertos en métodos de predicción de la estructura de proteínas. Su desarrollo está financiado por el Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas . ^[5]

Los servidores Phyre y Phyre2 predicen la estructura tridimensional de una secuencia de proteínas utilizando los principios y técnicas del modelado de homología . Debido a que la estructura de una proteína está más conservada en la evolución que su secuencia de aminoácidos, una secuencia proteica de interés (el objetivo) se puede modelar con una precisión razonable en una secuencia muy distantemente relacionada de estructura conocida (la plantilla), siempre que la relación entre el objetivo y la plantilla se pueda discernir a través de la alineación de secuencias . Actualmente, los métodos más potentes y precisos para detectar y alinear secuencias remotamente relacionadas se basan en perfiles o modelos ocultos de Markov (HMM). Estos perfiles/HMM capturan la propensión mutacional de cada posición en una secuencia de aminoácidos en función de las mutaciones observadas en secuencias relacionadas y se pueden considerar como una "huella evolutiva" de una proteína en particular.

Por lo general, se compilan las secuencias de aminoácidos de un conjunto representativo de todas las estructuras de proteínas tridimensionales conocidas y estas secuencias se procesan mediante escaneo contra una gran base de datos de secuencias de proteínas. El resultado es una base de datos de perfiles o HMM, uno para cada estructura tridimensional conocida. Una secuencia de usuario de interés se procesa de manera similar para formar un perfil/HMM. Este perfil de usuario luego se escanea contra la base de datos de perfiles utilizando técnicas de alineamiento perfil-perfil o HMM-HMM. Estas alineaciones también pueden tener en cuenta patrones de elementos de estructura secundaria predichos o conocidos y se pueden puntuar utilizando varios modelos estadísticos. Consulte la predicción de la estructura de proteínas para obtener más información.

El primer servidor Phyre se lanzó en junio de 2005 y utiliza un algoritmo de alineación de perfil-perfil basado en la matriz de puntuación específica de la posición de cada proteína . ^[6] El servidor Phyre2 se lanzó públicamente en febrero de 2011 como reemplazo del servidor Phyre original y proporciona funciones adicionales sobre Phyre, una interfaz más avanzada, una biblioteca de pliegues completamente actualizada y utiliza el paquete HH-suite (HHpred, HHsearch) para la detección de homología, entre otras mejoras.

Después de pegar una secuencia de aminoácidos de una proteína en el formulario de envío de Phyre o Phyre2, el usuario normalmente esperará entre 30 minutos y varias horas (dependiendo de factores como la longitud de la secuencia, la cantidad de secuencias homólogas y la frecuencia y longitud de las inserciones y eliminaciones) para que se complete la predicción. Se envía al usuario un correo electrónico con información resumida y la estructura predicha en formato PDB junto con un enlace a una página web de resultados. La pantalla de resultados de Phyre2 se divide en tres secciones principales, que se describen a continuación.

La secuencia de proteína enviada por el usuario se escanea primero contra una gran base de datos de secuencias utilizando PSI-BLAST . El perfil generado por PSI-BLAST luego es procesado por el programa de predicción de estructura secundaria de red neuronal PsiPred ^[7] y el predictor de desorden de proteínas Disopred. ^[8] La presencia predicha de hélices alfa, cadenas beta y regiones desordenadas se muestra gráficamente junto con una barra de confianza codificada por colores.

Muchas proteínas contienen múltiples dominios proteicos . Phyre2 proporciona una tabla de coincidencias de plantillas codificadas por colores según la confianza e indicando la región de la secuencia del usuario coincidente. Esto puede ayudar a determinar la composición de dominios de una proteína.

La tabla de resultados principal de Phyre2 proporciona estimaciones de confianza, imágenes y enlaces a los modelos tridimensionales predichos e información derivada de la base de datos de Clasificación estructural de proteínas (SCOP) o del Banco de datos de proteínas (PDB) según la fuente de la plantilla detectada. Para cada coincidencia, un enlace lleva al usuario a una vista detallada de la alineación entre la secuencia del usuario y la secuencia de estructura tridimensional conocida.

La vista de alineación detallada permite al usuario examinar residuos alineados individuales, coincidencias entre elementos de estructura secundaria predichos y conocidos y la capacidad de alternar información sobre patrones de conservación de secuencia y confianza en la estructura secundaria. Además, Jmol se utiliza para permitir la visualización 3D interactiva del modelo de proteína.

Phyre2 utiliza una biblioteca de pliegues que se actualiza semanalmente a medida que se resuelven nuevas estructuras. Utiliza una interfaz más actualizada y ofrece funciones adicionales a través del servidor Phyre, como se describe a continuación.

La función de procesamiento por lotes permite a los usuarios enviar más de una secuencia a Phyre2 cargando un archivo de secuencias en formato FASTA . De forma predeterminada, los usuarios tienen un límite de 100 secuencias en un lote. Este límite se puede aumentar contactando al administrador. Los trabajos por lotes se procesan en segundo plano con la potencia de procesamiento libre a medida que está disponible. Por lo tanto, los trabajos por lotes suelen tardar más que los trabajos enviados individualmente, pero esto es necesario para permitir una distribución justa de los recursos de procesamiento entre todos los usuarios de Phyre2.

La subdivisión uno a uno le permite cargar tanto la secuencia que desea modelar como la plantilla en la que modelarla. A veces, los usuarios tienen una secuencia de proteínas que desean modelar en una plantilla específica de su elección. Esto puede ser, por ejemplo, una estructura recién resuelta que no está en la base de datos de Phyre2 o debido a alguna información biológica adicional que indica que la plantilla elegida produciría un modelo más preciso que el o los modelos elegidos automáticamente por Phyre2.

En lugar de predecir la estructura 3D de una secuencia de proteínas, los usuarios suelen tener una estructura resuelta y están interesados ​​en determinar si existe una estructura relacionada en un genoma de interés. En Phyre2, una estructura de proteína cargada se puede convertir en un modelo oculto de Markov y luego escanearla en comparación con un conjunto de genomas (más de 20 genomas a marzo de 2011). Esta función se llama BackPhyre para indicar cómo se utiliza Phyre2 en sentido inverso.

A veces, Phyre2 no puede detectar ninguna coincidencia segura con estructuras conocidas. Sin embargo, la base de datos de la biblioteca de pliegues aumenta en aproximadamente 40 a 100 nuevas estructuras cada semana. Por lo tanto, aunque es posible que no haya plantillas decentes esta semana, es posible que las haya en las próximas semanas. Phyrealarm permite a los usuarios enviar una secuencia de proteínas para que se escanee automáticamente con nuevas entradas agregadas a la biblioteca de pliegues cada semana. Si se detecta una coincidencia segura, el usuario recibe una notificación automática por correo electrónico junto con los resultados de la búsqueda de Phyre2. Los usuarios también pueden controlar el nivel de cobertura de alineación y la confianza en la coincidencia necesaria para activar una alerta por correo electrónico.

Phyre2 está acoplado al servidor 3DLigandSite ^[9] para la predicción del sitio de unión de proteínas. 3DLigandSite ha sido uno de los servidores de mayor rendimiento para la predicción del sitio de unión en la Evaluación crítica de la predicción de la estructura ( CASP ) en (CASP8 y CASP9). Los modelos confiables producidos por Phyre2 (confianza >90%) se envían automáticamente a 3DLigandSite.

El programa memsat_svm ^[10] se utiliza para predecir la presencia y topología de cualquier hélice transmembrana presente en la secuencia de la proteína del usuario.

Phyre2 permite a los usuarios elegir el modo de modelado "Intensivo" desde la pantalla de envío principal. Este modo:

• Examina la lista de resultados y aplica heurísticas para seleccionar plantillas que maximicen la cobertura y la confianza de la secuencia.
• Construye modelos para cada plantilla seleccionada.
• Utiliza estos modelos para proporcionar restricciones de distancia por pares que se ingresan en la herramienta de modelado ab initio y de múltiples plantillas Poing. ^[11]
• Poing sintetiza la proteína del usuario en el contexto de estas restricciones de distancia, modeladas por resortes. Las regiones para las que no hay información de plantilla se modelan mediante el modelo de física simplificado ab initio de Poing.
• El modelo completo generado por Poing se combina con las plantillas originales como entrada a MODELLER .

Las aplicaciones de Phyre y Phyre2 incluyen la predicción de la estructura de proteínas, la predicción de funciones, la predicción de dominios, la predicción de límites de dominios, la clasificación evolutiva de proteínas, el guiado de la mutagénesis dirigida al sitio y la solución de estructuras cristalinas de proteínas mediante reemplazo molecular .

Hay dos recursos vinculados que utilizan predicciones de Phyre para el análisis basado en la estructura de variantes sin sentido que generalmente resultan de polimorfismos de un solo nucleótido .

• PhyreRisk es una base de datos que mapea variantes genéticas a estructuras de proteínas experimentales y predichas por Phyre. La página de proteínas muestra las estructuras experimentales y predichas. Los usuarios pueden mapear variantes a partir de coordenadas genéticas o proteicas. ^[12]
• Missense3D es una herramienta que proporciona un informe estereoquímico sobre el efecto de una variante sin sentido en la estructura de la proteína. Los usuarios pueden cargar sus propias variantes y coordenadas, incluidas tanto las estructuras PDB como los modelos predichos por Phyre. ^[13]

Phyre y Phyre2 son los sucesores del sistema de predicción de la estructura de proteínas 3D-PSSM ^[14] que tiene más de 1400 citas hasta la fecha. ^[15] 3D-PSSM fue diseñado y desarrollado por Lawrence Kelley ^[16] y Bob MacCallum ^[17] en el Laboratorio de modelado biomolecular ^[18] en Cancer Research UK . Phyre y Phyre2 fueron diseñados por Lawrence Kelley en el grupo de bioinformática estructural , ^[19] Imperial College London . Los componentes de los sistemas Phyre y Phyre2 fueron desarrollados por Benjamin Jefferys, ^[20] Alex Herbert, ^[21] y Riccardo Bennett-Lovsey. ^[22] La investigación y el desarrollo de ambos servidores fueron supervisados ​​por Michael Sternberg .