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MODELLER. A.Sali, R.Sánchez & A.Badretdinov U.Rockefeller. M.Orozco 2002. INTRODUCCION. Que es Modeller. Programa para obtener modelos 3-D a partir de homología. Optimización de una función de densidad de probabilidad (pdf).

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MODELLER

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Presentation Transcript


Modeller l.jpg

MODELLER

A.Sali, R.Sánchez & A.Badretdinov

U.Rockefeller

M.Orozco 2002


Introduccion l.jpg

INTRODUCCION


Que es modeller l.jpg

Que es Modeller

  • Programa para obtener modelos 3-D a partir de homología.

    • Optimización de una función de densidad de probabilidad (pdf).

    • Emplea métodos de gradiente conjugado y dinámica molecular restringida.

    • Trabaja en espacio cartesiano.

    • El valor de la función de optimización sirve como primer “scoring function” del modelo.


Etapas b sicas en el modelado l.jpg

Etapas básicas en el modelado

Identificación

homólogos

Determinación

restricciones

Alineamiento

Construcción

modelo

Refinado

Validación


1 determinar hom logos l.jpg

1. Determinar homólogos:

  • El primer paso y uno de los más importantes es encontrar un(os) homólogo(s) de estructura conocida de la proteína problema.

  • Esto implica:

    • Búsqueda de secuencias homólogas usando BLAST (PSIBLAST) o técnicas similares.

    • Cruzar los resultados con PDB para recuperar proteínas con estructura conocida.

    • En algunos casos hay que recurrir a programas de threading (ej. THREADER).

    • Es posible en algunos casos usar el comando SEQUENCE SEARCH de Modeller.


Sequence search l.jpg

SEQUENCE_SEARCH

  • Busca homólogos en una base de datos de secuencias de estructura conocida muy disimilares (menos de un 30% identidad): Un conjunto representativo del PDB

  • Es una opción de un cierto riesgo al eliminar la riqueza que nos da tener alineamientos múltiples


2 1 alineamiento inicio l.jpg

2.1. Alineamiento: Inicio

  • El proceso clave para construir un buen modelo. Las regiones alineadas (posibles templates y problema) MODELLER las considera equivalentes!

    • Se prepara un alineamiento (múltiple si es posible).

    • El alineamiento debe considerar aspectos estructurales. No solo de secuencia

    • Los alineamientos automáticos siempre han de editarse y mejorarse!

    • Muy útil saber que regiones van a estar más conservadas según los alineamientos

    • El alineamiento es siempre un proceso ITERATIVO


2 2 alineamiento mejora l.jpg

2.2. Alineamiento: Mejora

  • Blast proporciona unos primeros alienamientos que pueden mejorarse con la información de CLUSTAL o HOMSTRAD.

  • MODELLER incluye rutinas de alineamiento como ALIGN, ALIGN2D o MALIGN3D que pueden ayudar en el alineamiento y otras de verificación del alineamiento como CHECK_ALIGNMENT


2 3 alineamiento selecci n del template l.jpg

2.3 Alineamiento: Selección del Template

  • Los alineamientos finales se analizan para determinar cual será el template final

    • Se analizan los “candidatos” a template y se agrupan (clustering) por secuencia:

      ID_TABLE o COMPARE_SEQUENCES: construyen matrices de distancias entre secuencias

      PRINCIPAL_COMPONENTS o DENDOGRAM permiten agrupar y decidir cual(es) de todas las secuencias metidas en el alineamiento se usara(n) como TEMPLATES


3 determinaci n de las restricciones l.jpg

3. Determinación de las restricciones

  • Las regiones alineadas del TEMPLATE proporcionan un primer conjunto de restricciones que la secuencia modelo debe de respetar

  • Se añaden muchas otras restricciones genéricas y otras propias del problema


4 construcci n del modelo l.jpg

4. Construcción del modelo

  • MODELLER construye un modelo utilizando el TEMPLATE como molde. En él intenta:

    • superponer las regiones alineadas

    • evitar colisiones estéricas

    • respetar la estereoquímica del modelo.

    • Optimizar funciones estadística de situación de Aa en el interior de las proteínas.


5 verificaci n del modelo l.jpg

5. Verificación del modelo

  • MODELLER realiza internamente una evaluación del modelo y señalará errores graves en el mismo.

  • No obstante, es conveniente verificar el modelo con programas externos como PROSA (M.Sipple) o PROCHECK (J.Thornton).


Modelado autom tico l.jpg

Modelado automático

  • Precisa solo de la secuencia problema y de las coordenadas de los posibles TEMPLATES.

  • Solo recomendable cuando la secuencia tiene más de un 50% de IDENTIDAD.

  • Permite generar bases de datos masivas de posibles estructuras (MOD DBASE).

  • En general NO es recomendable.


Comandos basicos de modeller l.jpg

COMANDOS BASICOS DE MODELLER


Comandos de ejecuci n l.jpg

Comandos de ejecución

  • Ejectutar MODELLER: mod tutua (tutua: nombre del script de instrucciones)

  • Longitud del output: OUTPUT_CONTROL = x y z t (variable = 1 da info 0 no la da)

    • X: extensión output gral. Y= files abiertas. Z: warnings. T= errores


Comandos de topolog a selecci n l.jpg

READ_TOPOLOGY: lee el fichero topología de CHARMM 22.

READ_PARAMETERS: lee los parámetros del FF.

GENERATE_TOPOLOGY: genera topología del modelo.

Comandos de topología (selección)

  • PATCH: Genera los ptes disulfuro definidos por el usuario.

  • PATCH_DISULFIDES: Genera los ptes disulfuro según el TEMPLATE.

  • MUTATE-MODEL: Substituye un residuo por otro en el modelo.


Comandos de manejo de coordenadas selecci n 1 l.jpg

READ_MODEL(2): lee coordenadas, nombres y tipos de átomos y residuos del modelo 1 o 2

WRITE_MODEL(2): escribe ,... del modelo 1 o 2

BUILD_MODEL: genera coordenadas cartesianas (todas o las no definidas) para un modelo (INITIALIZE_XYZ=on,off)

TRANSFER_XYZ:Copia las coordenadas del TEMPLATE al modelo

Comandos de manejo de coordenadas (selección)-1

  • PICK_ATOMS: Selecciona átomos (diversos criterios: sphere, segment, all residue or selected residues,...) para manipulación y los coloca en uno de los 3 SETS usados luego por:

    • 1: pick_restraints, rotate_dihedrals, randomize_xyz y otros

    • 2,3 make_restrains


Comandos de manejo de coordenadas selecci n 2 l.jpg

RANDOMIZE_XYZ: Asigna posiciones aleatorias a los átomos en SET1 del modelo.

REORDER(2)_ATOMS: Reordena átomos (modelo o moldeo 2) dentro del residuo para que sigan el mismo orden que en la librería de topología.

ROTATE_DIHEDRALS: cambia dihedros especificados del conjunto dado SET1 y les asigna valores random o optimizados.

ORIENT_MODEL:centra y orienta un modelo respecto al origen de coordenadas

ROTATE_MODEL: traslada y rota un modelo.

WRITE_DATA: escribe datos del modelo:

Solvent accesibility

Lista de vecinos del residuo

Dihedros

Asignación de estructura secundaria

Curvatura de la cadena principal.

Comandos de manejo de coordenadas (selección)-2


Comparaci n y alineamiento l.jpg

Comparación y alineamiento

Formato del fichero de alineamientos (PIR)

>P1;5fd1  identificador

structureX:5fd1: 1 : : 10 : nombreprot: 1.9:0.12

AVFEDSEFGT

>P1;1fdx

Sequence:1fdx: 1 : : 8 : otronombre: 2.0: -1.0

AV--DADFGS

Structurex: estructura cristal. 1, 10 residuos inicial, final, 1.9,0.2 datos cristal

Sequence: solo se tiene secuencia


Comparaci n y alineamiento selecci n 1 l.jpg

READ_ALIGNMENT: Lee el fichero de alineamientos.

READ_ALIGNMENT2: Lee un 2o fichero de alineamientos.

CHECK_ALIGNMENT:Chequea el alineamiento de las estructuras de referencia y de estas con el problema.

COLOR_ALN_MODEL: Colorea (4o campo pdb) una estructura en función de lo bien que esta alineada con una secuencia.

SEQUENCE_TO_ALI: Copia una secuencia y estructura en un alineamiento como append (ADD_SEQUENCE=on) o generando file nueva

WRITE_ALIGNMENT: Escribe alineamientos con mucha información adicional.

DESCRIBE: Información sobre proteínas en el alineamiento.

Comparación y alineamiento (selección)-1


Comparaci n y alineamiento selecci n 2 l.jpg

ID-TABLE: Calcula matrices de distancias entre los residuos de cada par de secuencias. Da como output el % identidad

SEQUENCE_COMPARISON: Similar a la anterior, pero utiliza scores residuo-residuo.

DENDOGRAM:Clustering de las secuencias en los alineamientos.

PRINCIPAL_COMPONENTS:Similar a DENDOGRAM, pero con PC

ALIGN: Alinea 2 secuencias (bloques) por alineamiento global o local.

ALIGN2D: Alinea una secuencia (bloque) con una estructura (bloque).

MALIGN: Alineamiento múltiple de secuencias.

ALIGN3D: Alinea dos estructuras (estructuralmente) a partir del alineamiento por secuencia.

MALIGN3D: Alineamiento estructural múltiple.

Comparación y alineamiento (selección)-2


Comparaci n y alineamiento selecci n 3 l.jpg

SUPERPOSE: Dado un alineamiento superpone MODEL2 sobre MODEL. Se pueden seleccionar átomos, cutoff,..

COMPARE: Versión múltiple del comando anterior.

EXPAND_ALIGNMENT:Añade modelos a un alineamiento ya existente.

SEQUENCE_SEARCH:Búsqueda de secuencias similares a una problema en una base de datos

Comparación y alineamiento (selección)-3


Restricciones espaciales l.jpg

Restricciones Espaciales

  • Punto clave en el proceso de modelado por MODELLER. El modelo propuesto por traslado de átomos se debe optimizar introduciendo restricciones en el mismo.

  • Hay muchos tipos de restricciones unas estandard (ej. distancias de enlace) y otras definidas por el usuario.


Restricciones formato l.jpg

Restricciones: Formato

  • Un formato “USER” de restricciones sería:

    • R 3 1 1 1 2 2 0 1.5000 0.1000 NH#:1:A CA:2:A

    • Esto diria: R: restricción

    • 3: Función de restricción tipo Gaussian

    • 1: (redundante en este caso) el numero de funciones usadas

    • 1: Tipo de restricción: en este caso un enlace

    • 1: “grupo”: definición más específica de la restricción, en este caso es un enlace “normal” harmónico.

    • 2: Número de átomos involucrados en la restricción

    • 2: Número de parámetros que definen la restricción

    • 0: Parámetro “dummy”

    • 1.5000 y 0.1000 dicen la distancia óptima y la fuerza del enlace

    • El resto define que el enlace es entre el N y el Calfa residuo 2 cadena A.


Restricciones formato25 l.jpg

Restricciones: Formato

  • La definición de restricciones es después del alineamiento el tema más sutil del proceso.

  • Se pueden introducir muchísimas restricciones empleando diversas funciones de penalización.

  • Las restricciones siempre tienen que impedir que se llegue a modelos sin sentido químico.

  • Es posible para el usuario desactivar “restricciones químicas”, pero esto es peligroso.


Restricciones selecci n 1 l.jpg

Restricciones (selección 1)

  • MAKE_RESTRAINTS:Calcula y selecciona restrains.

    • RESTRAINT_TYPE: “stero”,enlace, ángulo, torsión,..., LJ, Coulomb,.., si está en hélice, en hoja, distribuciones concretas F, Y,...

    • Los restrains stereo los coge de la base de datos de CHARMM.

    • A parte de los restrains “químicos” y “conformacionales” hay los de homología. Ej, 2 átomos dados están a x distancia en el TEMPLATE, tenderán a esta a la misma en modelo. Por ejemplo, la orientación de las cadenas laterales,...

    • En el caso de que no exista correspondencia se utilizan datos estadísticos de la librería interna.


Restricciones selecci n 2 l.jpg

DEFINE_SYMMETRY: Define que dos segmentos sean iguales en el proceso de optimización

PICK_RESTRAINTS: Selecciona uno(s) o todos los restraints cargados por MAKE-RESTRAINTS

CONDENSE_RESTRAINTS:Elimina restraints de memoria.

ADD_RESTRAINT:Añade un restraint a la lista

DELETE_RESTRAINT: Elimina un restraint específico.

READ_RESTRAINTS: Este comando lee restraints de una file. Puede añadirlos a los ya existente, o reemplazar estos.

WRITE_RESTRAINTS: Escribe los restraints

Restricciones (selección)-2


Optimizaci n l.jpg

Optimización

  • Una vez descritas las diferentes restricciones y un primer modelo (ej. transfiriendo coordenadas del TEMPLATE) debemos optimizar el modelo optimizando la función objetivo. Típicamente esto se consigue optimizando con un número creciente de restricciones. MODELLER incluye rutinas de optimización de gradiente y también de MD


Optimizaci n selecci n 1 l.jpg

MAKE_SCHEDULE: Define el proceso de optimización. Se define p.ej el peso (máximo) de las diferentes restricciones.

READ_SCHEDULE: Lee el fichero de Schedule.

WRITE_SCHEDULE: Escribe la schedule en memoria.

ENERGY: Evalúa un modelo en función de las violaciones de las restricciones.

ENERGY_PROFILE: Da las energías (o violaciones) de las restricciones físicas.

OPTIMIZE: Optimiza un modelo dados unos restraints.

SWITCH_TRACE: Abre files para una serie de optimizaciones consecutivas

Optimización (selección)-1


Keyword optimize l.jpg

Keyword: OPTIMIZE

  • Selección de método optimización:

    • Conjugate gradient

    • MD (simulated annealing)

  • Selección de cutoffs de non-bonded

  • Selección de valores de escalado

  • Extensión de la MD o de la optimización,..


Scripts en modeller l.jpg

Scripts en MODELLER

  • MODELLER contiene una serie de Scripts de defecto muy útiles para hacer cálculos tipo para no expertos.

  • Estos Scripts son relativamente flexibles y permiten adaptar el trabajo a las necesidades del usuario.

  • Comentaremos “model”


Script model l.jpg

READ_ALIGNMENT

CHECK_ALIGNMENT

Generar un 1er modelo

Generar restraints

Optimizar modelo

Script: model

Leer alineamiento

(típicamente pir)


Etapa 2a 1er modelo restraints l.jpg

GENERATE_TOPOLOGY

PATCH_DISULFIDE

Genera topología (CHARMM)

Coloca S-S (homología por defecto)

Transfiere coordenadas de átomos

equivalentes del TEMPLATE

Crea las coordenadas de los que

faltan por topología CHARMM

Escribe (.ini) modelo inicial

TRANSFER_XYZ

BUILD_MODEL

WRITE_MODEL

Etapa 2a: 1er modelo + restraints


Etapa 2b 1er modelo restraints l.jpg

MAKE_RESTRAINTS

Genera restraints: stereoquímicos,

Derivados de homología y espaciales

i.e.

(1)Restricciones de “enlace”

(2) de ángulos de torsión según

librerías de poblaciones, (3) de

distancias entre residuos (i.e.

restricciones homología) (4)

contactos de VW, (5) definidas por

el usuario (special_restraints).

WRITE_RESTRAINS

Etapa 2b: 1er modelo + restraints


Etapa 3a optimizaci n l.jpg

MAKE_SCHEDULE

Define procedimiento de opt. de

la función objetivo

Lee modelo inicial

Randomiza modelo añadiendo

unos desplazamientos al azar

READ_MODEL

RANDOMIZE_XYZ

Etapa 3a: optimización


Etapa 3b optimizaci n l.jpg

READ_RESTRAINTS

Lectura de los restraints

Seleccionar restraints sobre átomos

cercanos en la secuencia

Optimizar por c.g. solo con los

restraints seleccionados. Si se desea

Refinar usando también SA

Calcular energía de restraints no

Introducidos y escribir esto y el

Modelo final.

PICK-RESTRAINTS

OPTIMIZE

ENERGY +

WRITE_MODEL

Etapa 3b: optimización


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