1.简介
分子医学和个性化治疗的进展取决于生物大分子之间相互作用的识别以及对其结构-功能关系的理解。结构基因组学项目(例如。白肋烟等。, 1999; 托德等。, 2005; 另请参阅Smith等。, 2007)正在产生新的更精细的三维结构,从孤立的结构域到整个蛋白质,核酸类以及它们的复合体。然而,仅用当前的高分辨率方法(X射线晶体学/NMR)不太可能获得每种相关结构及其与其许多伙伴的配合物的详尽列表。中分辨率技术已经发展成为对高分辨率数据的补充,如低温电子显微镜(van Heel等。, 2000),电子断层扫描(McEwen&Marko,2001)和小角度X射线/中子散射(Svergun&Koch,2003),都能够提供分辨率为~10–20Å的三维包络。从组件的原子结构开始,典型的任务是将它们正确地放置在信封中(Wriggers等。, 1999; 祖雷等。, 2006; 顶部(Topf)等。, 2008)或优化它们的排列以适应实验散射数据(Petoukhov&Svergun,2005). 较低分辨率的构象和水动力参数,例如回转半径(R(右)克),翻译扩散系数(D类t吨),的沉降系数(秒),旋转相关时间(τc)和特性粘度([η]),可以通过比较实验和计算参数并选择最佳匹配模型来进一步完善模型(Byron,2000). 在中分辨率技术中,那些利用X射线(SAXS)或中子(SANS)的小角度散射的技术具有明显的优势,可以在近生理条件下对样品进行检测,尽管它们只提供集合平均数据,因此通常需要大量建模才能正确解释(Mertens&Svergun,2010; 普特南等。, 2007). 一套流行的计算机程序涵盖了SAXS和SANS从数据简化到建模的各个方面ATSAS公司套房由德国汉堡EMBL的Svergun集团开发(见Petoukhov等。, 2012;https://www.embl-hamburg.de/biosaxs/software.html). 然而,SAS领域正在经历快速发展,例如高性能的可用性液相色谱法(HPLC)-SAXS设置(例如。马修等。, 2004; 由Pérez&Nishino审查,2012年),要求实施额外的分析和建模工具。
纤维蛋白原(FG)是一种非常细长的杆状物(L(左)≃ 460 Å,d日≃50μl)高分子量(~338000)蛋白质,在血液中起中心作用凝结系统(参见Weisel,2005)与血栓形成和癌症等多种病理学相关(Blombäck,1996; Boccacio&Medico,2006年). 它由两对链组成,每对链由三条不同的链组成,Aα,Bβ和γ其N末端构成中心球状结构域。两对对称的三螺旋线圈离开中心区域,将其连接到两个外部球状区域,每个区域都包含B的C末端β和γ链条(参见Weisel,2005). A的~400 C末端残基α链条(α相反,C结构域)很可能大部分是无序的,并且由于对蛋白水解裂解非常敏感,它们是循环FG异质性的主要来源(Mossesson,1983)). FG三维结构仅为部分已知(参见Kollman等。, 2009以及其中的参考),尤其是αC域是一个备受争议的话题(例如。杨等。, 2001; 利特维诺夫等。, 2007; 楚鲁帕等。, 2009). 作为正在进行的研究的一部分,该研究旨在描述几乎完整的FG和αC无域物种(见Cardinali等。, 2010; 雷纳尔等。, 2013)以及它们的共价和非共价加合物,我们对人血浆高分子量FG部分(hpHMW-FG)进行了大小排除(SE)HPLC-SAXS研究。该材料存在严重的聚集问题,SE-HPLC-SAXS分析显示非基线重溶低聚物峰和分裂的非对称主峰。
由于需要正确分析SE-HPLC-SAXS hpHMW-FG数据,我们在UltraScan解决方案建模器(美国-索马里;https://somo.uthscsa.edu/),一套在图形用户界面(GUI)下的开源计算机程序,最初是为了从生物大分子的三维原子结构开始计算其构象和流体动力学参数而开发的(Brookes,Demeler,Rosano&Rocco,2010).美国-索马里的流体动力学建模基于Rocco和Byron实验室开发的精确方法,保留了原始生物大分子中的原子和用于表示它的低分辨率珠子之间的对应关系(Byron,1997; Rai公司等。, 2005). 新的SAS工具是从我们之前报道的一个小的初始核心发展而来的(Brookes,Demeler&Rocco,2010))提供了一个与现有流体动力学工具集成的框架。在数据分析方面,突出的是一个用于将HPLC-SAXS散射强度转换为散射矢量函数的模块[我(q个)与q相比]数据帧转换为散射强度,作为洗脱帧/时间的函数[我(t吨)与t相比]在每个散射矢量幅度q个(q个= 4π罪θ/λ,带2θ散射角和λ入射辐射波长)。这允许对HPLC-SAXS数据进行高斯分解,解析未基线分离的峰值(通常首先显示在浓度剖面级别),然后返回生成我(q个)与q相比每个分解峰值的数据帧。鉴于SAXS对多分散性的敏感性,这一点尤为重要;据我们所知,诸如峰值拟合(Systat Software,美国加利福尼亚州圣何塞;https://www.sigmaplot.com),虽然提供了非常高级的功能,但不提供正确分析数百个我(t吨)与t相比`HPLC-SAXS实验得出的色谱图。单值分解(SVD)方法(例如。威廉姆森等。, 2008; 劳森等。, 1995; 紫菀等。, 2005)也可以应用于我(q个)与q相比数据集,作为正确初始化用于我(t吨)与t相比峰分解。此外,基线漂移的数据集存在问题,这可能是由于持续流动期间SAXS毛细管壁上的物质积累引起的色谱法,可以通过在帧/时域中定义和减去基线来进行适当的校正。整体、横截面和横向的半自动外推程序z(z)-平均回转半径〈R(右)克2〉z(z), 〈R(右)c2〉z(z)和〈R(右)t吨2〉z(z)、和重量平均零散射角强度〈我(0)〉w个, 〈我c(0)〉w个和〈我t吨(0)〉w个,因此分子量〈M(M)〉w个,质量/长度比〈M(M)/L(左)〉w个/z(z)和质量/面积比M(M)/A类〉w个/z(z)可从吉尼亚地块获得。本研究中未使用,但在美国-索马里§3.1条。
HPLC-SAXS美国-索马里首先利用SE-HPLC-SAXS数据对模块进行测试,该数据采集于含有大量三聚体和二聚体物种的粗牛血清白蛋白样品上,用于验证SE柱的性能,然后应用于hpHMW-FG数据。在这两种情况下,均采用基线校正和高斯分解。特别是,分析使我们能够区分hpHMW-FG低聚物峰中的并排聚集体和线性聚集体,并将主峰的两个组分描述为具有几乎相同的构象,但可能因存在/不存在αC域。
2.材料和方法
2.2. 软件实施
这个美国-索马里已经描述了技术规范(Brookes、Demeler、Rosano和Rocco,2010, 2012). 当前软件是用C类++利用Qt(数量)(https://qt-project.org/). 该代码是多平台的,具有可用于Linux、Mac OSX和Windows的二进制文件。源代码可用通过一个wiki集成的subversion存储库,可以从主美国-索马里网页。目前的用户群包括全球约700名注册的个人研究人员和56个注册的实验室。
5.结论
纤维蛋白原是一种具有相关生物医学/生物技术意义的蛋白质,其结构尚不完全清楚。考虑到a的大部分可能是无序的α要获得FG的完整三维图像,需要进行多分辨率研究。SAXS数据可能会做出重要贡献,但聚合/降解问题以前限制了它们的用途。在本文中,我们描述了增强型SAS模块的最新发展,并将其应用于此问题美国-索马里套件,生成可用于建模研究的改进数据。美国-索马里已经进行了(仍在进行中)重大扩展,目的是提供一个多分辨率平台,以便将散射数据和流体动力学结果与bead以及全原子分子建模工具轻松结合。它被设计为一个中心,允许执行各种操作,从主要数据缩减和分析到复杂的建模方法。它使用了其他组织提供的几种广泛使用的公开可用软件包,例如侏儒,冰霜(n个)以及FoXS系列它还提供了据我们所知在其他地方尚不可用的原创工具,例如在特定距离范围内相对贡献的分子结构映射P(P)(第页)与r相比这里最相关的是SE-HPLC-SAXS数据集的基线校正和高斯分解。我们相信,后者使实验者能够最好地利用记录的帧,如所报道的BSA示例和hpHMW-FG应用所示,并且在未来可能成为SE-HPLC-SAXS数据处理和分析包的一部分。
致谢
这项工作得到了NIH/K25GM090154(PI)、NSF/OCI-1032742(coPI)和NSF/CHE-1265821(PI)对EB的资助。我们感谢同步加速器SOLEIL提供了一个优秀的光束线及其使用(项目编号:20090445,溶液中纤维蛋白原的形状和激活后的构象变化)。
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