-
Cn3D
4.1
中文使用手册
这是
Cn3D
4.1
的使用手册。
p>
希望能够向初次使用或是曾经使用过
Cn3D
的
用户提供一个关于本软件的基本特点的指导。
新用户可能
希望
通过阅读这篇文档
来学习如何使用
Cn3D,
而有经验的用户则可以通过上面的目录和超连接直接
跳转
到自己感兴趣的章节。
本手册并不是对程序功能的详尽的介绍。在
Cn3D
的安装程序里包含有关于
Cn3D
的用户界面和详细功能介绍的帮助文档。
—
见
Cn3D_
。
Cn3D
的基本功能
Cn3D
是一个生物分子的三维结构、
序列以及序列比对结果的可视化工具。
Cn3D
可以将结构与序列的信息紧密的联系起来,
这是它与
其它软件的一个重要的
区别:例如,一名科学家可以很快
的从晶体结构中找出与导致已知疾病的突变相
关的残基,或是
保留同源序列
家族的活性位点的残基。
Cn3D
可以通过基于结构的
序列比较来显示
生物分子结构之间的比较,从而了解相关蛋白的那一个结构域在
结构与序列上表现得更为保守。同时,可以自定义标签的特性,高品质的
OpenGL
的画质,还有多样的文件输出格式,都使得
Cn3D
成为文献注释的强大工具。
Cn3D
的特色就是通过网络浏览器来作为
NCBI
的
Entrez
系统的一个辅助工具,但是它
也可以作为一个
独立的程序来使用。
在版本
4
当中,
Cn3D
已经是一个完整的多序列比较编辑器了,除此之外,
还包括一条已知序列和其他序列或是其他结构进行比较的
算法。你可以新
建一个
比对结果或是评价一个已有的结果。
Cn3D
可以被用来作为比较
CDD
project
内容
的基本的辅助工具。(保守
结构域数据库)
下载和安装
Cn3D
Cn3D
可以应用于
Windows
,
Macintosh
,
和各种
UNIX
平台。
这几页将说
明如何下载和安装
Cn3D
,
并且如何配置网络浏览器来使
用
Cn3D
。
文档约定
Cn3D
的屏幕界面和序列窗体提供各种形式的示例;他们以
极小的图片链接到
大图
。注意最大的图像是以
PNG
格式存
储的
—
这依靠
所使用的浏览器,浏览这
种格式的文件需要一个支持
PNG
的辅助程序。
Cn3D
的
Windows
版可以用来创
建这类图像,但是除了
平
台的用户界面和窗体变框外,图像基本上在任何平台上
都是一样的。
当引用到用户界面当中
的特定元素时(例如下拉菜单或弹出式菜单,
按钮等
等)
本文将使用黑体字并且用冒号将需要进行的鼠标操作分
开。例如,
Style:Edit
Global
Style:Details:Tube
Radius
意思是选择
下拉菜单
(
在结构窗体
中
),
,选
择
Global
Style
项。一个分页的面板将出现;选择
页,然
后设置
Radiu
s
属性。
参考文献
为了增加手册的生动性和信
息性,我们使用当前文献中使用的有名的例子。
大多数的例子是关注人的
PTEN
蛋白
(Lee
et
al.,
1999)
,一个在多种癌症中发现
突变的肿瘤抑制因子
(
综述,见
Di
Cristofano
and
Pandolfi,
2000)
。
下面是手册中所引用的文献的详细列表
(
含有
Entrez
的连接
)
。
1. Di Cristofano A,
Pandolfi PP. The multiple roles of PTEN in
tumor
suppression.
Cell
2000
Feb
18;
100(4):387-90
。
(Ent
rez)
2. Lee
JO,
Yang
H,
Georgescu
MM,
Di
Cristofano
A,
Maehama
T,
Shi
Y,
Dixon
JE,
Pandolfi
P,
Pavletich
NP.
Crystal
struc
ture
of
the
PTEN
tumor
suppressor:
implications for its
phosphoinositide phosphatase activity and
membrane
association
。
Cell
1999
Oct
29;
99(3):323-34.
(Entrez)
3. Liaw
D,
Marsh
DJ,
Li
J,
Dahia
PL,
Wang
SI,
Zheng
Z,
Bose
S,
Call
KM,
Tsou
HC,
Peacocke
M,
Eng
C,
Parsons
R.
G
ermline
mutations
of
the
PTEN
gene
in
Cowden
disease,
an
inherited
breast
and
thyroid
cancer
syndrome.
Nat
Genet.
1997
May;
16(1):64-7.
(Entrez)
寻找特定的结构
(MMDB)
新用户的最大的问题之一是当他们开始使用
Cn3D
时怎样并且从哪里可以得
到程序可以识别的格式的数据呢?
Cn3D
有意的不去
直接读取
PDB
格式的文件,
取而代之使用
NCBI
的
MMDB
数据库。简单的说,
MMDB
从蛋白质数据库中获取
数据信息,然后分
析每一个
PDB
文件,进行深入的验证和纠错,最后以一种更加
适合计算机的格式存储信息。参见
MMDB
的主页
可以了解到更多的关于这项工
程的信息,并且可以从
MMDB
的结构摘要一页的选项和链接中得到更多的文件。
有很多种方法可以从
MMDB
中获取所要结构,
包括直接的或是通过
NCBI
的
Entrez
服务中的链接。本章中描述了分子生物学家可能
用到的通过不同的查询方
式查找蛋白质结构一
些典型方法。我们将以人的
PTEN
蛋白为例说明
(Lee
et
al.,
1999)
。
Entrez
文献研究
为了使文献研究可以直接获得结构摘要,空间结构数据已经整合到
Entrez
当
中。最简单的使用
Entrez
的方法是用关键词、作者等来查找空间结构注释。例如,
到
p>
Entrez
当中,
在
栏内选择
下拉菜单,
然后在输入框中键
<
/p>
入
并且点击
p>
来执行查找。
在这个例
子当中,结果很少,
1D5R
获得
的唯一的查询结果,结果中含有到
MMDB
摘要页的链接。
空间结构相关链接也会出现在文献搜索结果中。在
栏内选择
下拉菜单,然后使用
structure
进行查
询
。在结果列表的后部
有晶体结构文章:
Lee
et
al.
,
structure
of
the
PTEN
tumor
suppressor
(Lee
et
al.,
1999)
。注意
在左边有
相关链接
-<
/p>
这个链接将会再次把我们
带到
1D5R
的
MMDB
摘要页。
在这篇摘要中,选择
Viewer
选项,然后点击
Structure
按钮来下载数
据并且启动
Cn3D
显示结构信息
-
当然假设
Cn3D
已经
作为一种辅助程序被恰当的安装和配置了。你也可以使用
F
ile
选项来将下
载的数据保存到磁
盘中,这样
你就可以手动的通过
File:Open
对话框将数据装载
到
Cn3D
当中。之后将出现两个窗体:
主窗体是
Cn3D
结构窗体,
其中显示蛋白
质的三维结构;另一个是序列窗体,其中显示蛋白质链的氨基酸序列。结果类似
下面的样子:
如果是多链蛋白,将会有几条序列同时出现在序列窗体中。
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3
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07-29
a
n
g
e
离
根据
Entrez
临近序列
假设我们并不知道晶体的结构,并且与
PTEN
突变相关的疾病:例如,通过
这个链接可以找到一篇关于
Cowden
氏病的文章:
L
iaw
et
al.,
1997.
。点击位于摘
要右边的
相关连结,然后跟随
链接到达
GenPept
summary of
PTEN
。
在这一页
线
中包含有大量的
PTEN
的文献和已知的突变信息。
这个例子中没有直接的三维结构的链接,
因为用于测定晶体结构的蛋白与自
然状态下蛋白不十分一样,
这在
GenPept
的报告中有
相应的描述。然而,我们
可以在
GenBank
中找到与这个蛋白相似的序列列表,这些序列是已经知道空间结
构的蛋白。从
GenPept
p>
的摘要中,点击右上方的
。然后再点击结果
页顶端
的
S
tructures
按钮,之后你将看到唯一的相关结构
1D5R,
chain
A
。
如果你
点击结果线上的小蓝点,你将在
Cn3D
中看到比对的结果。
级
通过
BLAST
搜索
别
:
我们根据
PTEN
的序列通过
BLAST
搜索
PDB
数据库来直接得到空间结构。
它的优
点是可以使用任何序列进行查询,
即使是新
副
< br>总
经
的或是个人所有的还没有提交
到
GenBank
的序列。重要的一点是,我们可以评价比对结果,通过评分来判断查
询序列和空间结构的
序列相似性。
理
有许多的方法可以进行这样的查询,但是对于这个例子让我们从
NCBI
的
BLAST
服务开始。首先注意在
GenPept
摘要上部的
显
PTEN
的
accession
号是
(
p>
第一个字母是大写字母
O
,后面两位是零
)
。到
BLAST
查询页面,点
击链接
Protein-
protein
示
用
户
信
BLAST
(blastp)
(原文中是
protein-
protein
BLAST
[blastp]
)。
然后在
database
项下选择
菜单
(
查找
已
<
/p>
知的空间结构
)
,在输入框重键入
,最后点击
开始查询
。查询
序列将被送往
BLAST
队列,等待一段计算机下
息
载的时间后,点击
按钮
将出现结构。就在命中的图形摘要下边是找到的序列的列表。在顶部具有最
高的
score
和
E-value
的序列,至少再写这篇文档时,就是现在熟悉的
PDB
入口
1D5R
。通过
链接可到达这个结构的
GenPept
摘要页,在那里右
边的结构链接最终带领我们到达
1D5R
的
MMD
B
摘要页
。
这是一个价值不高的例子,因为找到的
PDB
结构就是用于
BLAST
查询的蛋
白序列。但是这是一个非常强大的查找蛋白质空间
结构的一般的方法,查找到
的
已有结构的蛋白质与目标蛋白质非常的相似,这样目标蛋白
质的结构可以通过同
源性推断出来。参见这篇文档的结构比较章节我们可以学到如
何在
Cn3D
的序列
窗体中显示查询序列和其他蛋白序列的比对结果。
通过已知的
PDB
标识
如果一个蛋白质的
PDB
标识已知,那么就可以从
MM
DB
中直接找到对应的空
间结构。只需简单的在输入框内键入
4
个字符的
PDB
号,然后点击
。
在关于结晶化和结构测定的期刊文章中如
PTEN
(Lee
et
al.,
1999)
,
我们可以
找到作者提交结构数据到
PDB <
/p>
中的标识号
。把
它输入
MMDB
的查询框就
可以直接到达
1D5R
的
MMDB
摘要页。
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07-29
(
生技网
)
The
Basics
of
Cn3D
Controls
在
Cn3D
中察看特定的序列结构
这一章中将把
1D5R
的
PDB
结构
作为例子;参见
上一章
介绍如何找到它的数据。
Cn3D
的基本控制操作
o
结构窗体的主菜单
o
样式面板
o
自定义设置的一些例子
因为并不是要对
Cn3D
用户界面进行全面的介绍,所以本章只提供对程序操
作的总
的说明,并且对不同科学方面数据进行可视化的图解说明。
·
结构窗体的主菜单
File
菜单可以将数据输入
Cn3D
,并且可以输出多种数据个适合图像类型;
这些完全是无需解释的。仔细的说,
File:Save
可以连
同当前的视图,设置和其他
<
/p>
用户注释一起保存分子的空间结构,以使所做的工作可以被保存。
File:Export
PNG
菜
单项可将分子的空
间结构图像内容保存为
PNG
格式的图像,这种格式可
以用于网页
或是出版物
(
就象这篇手册!
)
。
View
菜单包含可以控制整个分
子空结构显示的菜单项。整个结构可以通过菜
单项
View:Zoom
In
和
View:Zoom
Out
来放大或是缩小,
并且可以通过菜单
View:Restore
使视图恢复到已保存数据的原始大小
。
菜单
View:Reset
可以使
整个空间结构调整到适合窗体
的大小。如果有多条序列的空间结构需要显示
(
例如
一个
VAST
p>
比对
)
,或者结
构
中包含多个亚基
(
例如
一个
NMR
结构
,
常常有多个
亚基一同被下载
)
,那么,每一个亚基将被分配一个单
独的
框架
(<
/p>
)。
菜单
View:Frame
下的各个条目可以控制哪一个框架在当前显示。
View:
Animation
将在后续的章节中讨论。
Show/Hide
菜单包含的操作可以实现特定的亚结构显示或隐藏。
子菜单
Show/Hide:Pick
Structures
对话框可以让你选择哪一个单
一的结构,链和结构
域显示的开关。
Show/Hide
菜单下的其他项则与比对的视图有关。
Style
菜单下的选项可以影响空间结构中不同部分的形状
和颜色。例如,默认
的显示单个结构的方式是
Style:Rendering
Shortcut
s:Worms
加上
Style:Coloring
Shortcuts:Secondary
Structure
,这种方式显示一个螺旋的骨
架,没
有侧链,用实心的记号
-
箭头和柱
面<
/p>
-
代表条带和螺旋。螺旋的颜色为绿
<
/p>
色,条带为桔黄色,卷曲为蓝色。
(
这些
二级结构元素的位置和范围是由
NCBI
确
定的,这在
P
DB
的原始文件中并没有纪录。<
/p>
)
注意条带上的箭头
(
螺旋柱面的方向
< br>是随机的
)
总是指向
N
端到
C
端的方向。了解其他的不同样式的
最好办法就是试试
看!
Cn3D
有意使颜色设置与绘制风格分开。
菜单
Style:Coloring
Shortcuts
下
的选项的属性可以用来给结构的不
同部分标上不同的颜
色。使用这些选项,我们
可以很容易的看到显示出来的
NCBI
确定的分子空间结构的组成(结构域),或者
是来自
PBD
数据的晶体
模型的温度等等。菜单
Style:Rendering
Shortcuts
下
的选项可以确定分子空间结构各个
部分的形状,例如螺旋或是键球模型。
·
样式面板
样式面板
(Style:Edit
Global
Style)
包括对所有的绘制风格,颜色,标签,和
其他
Cn3D
中可以自由选择的属性的控制。事实上,
在菜单
Style:Rendering
Shortcuts
和
Style:Coloring
Shortcuts
中的所有选项都是样式面板各个不同
选项之间组合的方便的快捷方
式。
样式面板的
Settings
页下有
4
列可以设置各种结构元素的属性,在其左侧有
相应的
标签;这些设置应用与全局的整个空间结构。
控制元素是否被显
示
(
也可以
选择使用那种骨架模型
)
,
项控制用于着色的元素的几何形
状,
Sch
eme
项控制元素的颜色。大多数的选项可以单独设置,可是螺旋
风格除外,它只能
用于实骨架样式。当
Selection
色彩设计被选中时,最右
边的
< br>Color
列可以为结构元素设置颜色。整个背景色也是通过
这种方式设
置的。
样式面板的
Label
页可以控制骨架的标签,链的界标和离子。(事实上,所
使用的字体是在结构窗体中的
File:Set
Fonts
菜单下
设置的。)
样式面板的
Details
页允许详细控制头视图的几何属性。例如,当选则以螺
旋风格显示时,通过
Details:Worm
tube
radius
的设
置就可以控制螺旋骨架的厚
度。
Style:Annotate
面
板将在注释一章单独讨论,
但是简单的说,
允许用户为选
定的特定残基设置不同的风格,
以使它们与
空间结构中
的其他区别开来。
最后,
File:Preferences:Quality
页可以控制
OpenGL
透视图的品质。事实
上所有表面看起来圆滑的
OpenGL
对象都是有许多
微小的
多边形平面组成的。通
过这个面板可以设置组成较大对象的小
多边形面积的大小。弹出式菜单可以提供
细节的设置,而右边
的
三个按钮则可以方便得将设置调整到预先设置的参数。
图
p>
像外观平滑和显示速度之间是矛盾的:
小
多边形越多越小,
对象就显得越平滑,
但是这使得绘制时间变长。因此,在较老的计算机上为使
Cn3D
足够快的响应来
达到实用的交互,较低的画质是必须的。相反,在很
快的计算机上,或者
要以
PNG
格式保存高质量的图片
等对速度的要求不高时,高画质要更为可取。你可以选择
正相图或透视图来保
存。
·
自定义设置的一些例子
图像的保存可以通过菜单
File:Export
PNG
来完成。下面是
PDB
入口号为
1D5R
的结构,这里时一个活性
位点内抑制剂的特写,用原色标记了球棍侧链,用
温和色标记
螺旋骨架,二级结构用不同颜色分开
显示的三维对象,而且每隔
5
个
残基标出了
PDB
序号。这些都可以在
Style:Edit
Global
Style
面板中进行设置。
在图像右边是通过
File:Save
保存的相同空间结构的数据文件的链接。单击
这个链接将会启动
Cn3D
并显示该结构,其初始图像
与左边的静态图像文件一致。
举例来说,用户可以放大图像
(View:Zoom
Out
或
View:Reset)
来察看为什么
蛋白质表面比紧密填充的核心区域
有较高的温度(晶体中有更多的运动)。这说
明了
Cn3D
怎样创建和察看数字出版物中的交互
式的图像;更多的主题请参见注
释一章。
...
在此处单击就可以启动
Cn3D
并显示这张图像
下面是相同蛋白的另一个视图,螺
旋骨架根据二级结构用色彩区分,三维对
象根据结构域用不同的色彩区分。还有(部分透明的)溶媒。
...
在此处单击就可以启动
Cn3D
并显示这张图像
Cn3D
的序列阅读器
当一个单独的结构在
Cn3D
中被加载,序列阅读器就会显示结构中所有蛋白
质和核酸链的序列。每个残基的颜色在结构窗体与序
列窗体中都是相同的:<
/p>
序列
中的每个字母代表结构中相应的残
基,
并且总是采用骨架中
alpha
碳的颜色
(或
对于核苷来说是磷的颜色)
,
即使是结构窗体中侧链的颜色与
骨架颜色不同。
更强大的一个应用是很容易将序列中的残基于结构中的原子一
一对应。
这就
象是文本编辑器一样依
靠高亮显示来实现。
在序列窗体
中按住并且拖动鼠标将会
使字母反白显示,同时会使结构窗体中相应的原子以同样的反白颜色
显示。反过
来也是一样:双基结构窗体
中的残基将会使它本身和序列窗体中相应的字母一起
高亮显示。
因此,用户可以快速的从序列窗体
中定位和高亮显示对蛋白质感兴趣的部分,
比如活性位点相关的一系列残基。例如,下图中
1D
5R
高亮显示了一些关键的催
化和结合残
基
(
参见
Lee
et
al.,
1999):
注意这
有两个数字
--
序列位置和
PDB
分配号
--
< br>当鼠标载序列上移动时在
对应的残基上就会显示。
这是因为结
晶的蛋白质是被部分的截短的,
其他高度混
< br>乱的残接已经从精制的结构中去掉;
这些丢失的区
域没有
在结构中显示(例如,
用空位字符或其他的图形设备标示),但是在
PDB
中是被计算在内的。参见比对
一章。尽管如此,还
是有巧妙的办法来处理!
< br>
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07-29
a
n
(
p>
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g
Structure
Alignments
in
Cn3D
e
离
线
结构比较
(VAST)
Cn3D
在单独结构的处理上的确优秀,但是在显示多个蛋白的结构比较方面更
是出色。
NCBI
创建并且维护了一
个比对数据库,叫
做
VAST
,
可以方便的在
MMDB
中查询所有核心区结构相似的蛋白质对。
VAST
为每一对相关蛋白做两件事:
计
算保守区的最佳三维
重叠,和构建基于空间结构相关的序列比对。
Cn3D
是
VAST
比对的基本的格式化工具。它将结构的显示与序列的显示结合
起来,允许
VAST
的使用者察看由它创建的结构
比较和序列比较结果,并且配色
方案可以指示和加强保守区域。
级
别
让我们来看看
PTEN
的空间结构和它的
VAST
邻居吧。到
VAST
的主页,在
查询框中键入
并且单击
。这将转到
p>
:
我们熟悉的
MMDB
摘要页。其
图像说明此蛋白质使有一条单链(
A
)组成,
NCBI
将它分解为两个结构域:
N-
p>
端
结构域
1
,和
C-
端
副
总
经
p>
结构域
2
。点击
图像顶部的标记
A
的条形区将会显示基
于整条链的
VAST
临近序列,如果点击标记
or
的彩色区域将会
显示这些特
< br>
定结构域的临近序列。
理
如点击
结构
域可显示
N-
端结构域的临近序列列
表。
关于
PTEN
结构的文
献
(Lee
et
al.,
1999)
强调了
PTEN
和双特异性磷
显
酸酯酶
(PDB
数据库入
示
用
户
信
息
口
p>
之间的相似性。选择
1VHR
链
A
左边的选择框,然后点击
3D
Structure
在
Cn3D
中显示这个
VAST
比对结果。我们将在接下来的几节中使用
这个例子。
在
Cn3D
中察看结构比较结果
在前面的章节中已经讲到,
加载
1D5R
和
1VHR
的
VAST
比较结果。
当
Cn3D
第一次启动时默认的视图是两个蛋白层次图并且
p>
使用骨架样式绘制的(
alpha
碳由
直棒链接),核心区域紧密交迭的
alpha
碳突出显示。
Cn3D
4.1
结构比对中使用
VAST
算法,在比对区域内默认的颜色是红和蓝,
< br>相同的匹配残基为红色,不同但可以匹配的残基为
蓝色;未匹配部分为灰色。注<
/p>
意
VAST
的工作方式,对匹配区域和特定的二级结构域相联系
-
螺旋或条带,而
核心外面的环区长度和
方向各异,往往是非匹配序列。序列的显示中反映了结构
的颜色,下面将详细讨论。
结构比对中初始的样式和颜色设置于使用
Style:Rendering
Shortcuts:Tubes
和
Style:Coloring
Shortcuts:Sequence
Conservatio
n:Identity
菜单选项等价。
结构比对中的绘图设置与单一结构的调整
方法是相同的。
例如,
这是
p>
Cn3D
中
PTEN
结构文献中
2A
的图
像副本
(Lee
et
al.,
1999)
,他们有着相同的基本绘制样式合视角。图像清晰的展示了两个蛋白结构的
紧密联系,它们主要二级结构的方向和位置都很
相似。但是活性位点周围
的环区
被抑制剂占据,为了适应不同的底物,他们的大小和位
置都不同。
...
在此处单击就可以启动
Cn3D
并显示这张图像
Cn3D
的比对察看器
当显示不止一个结构或已经比对的多条序列的结构时
Cn3D
的序列窗体同时
可以作为比对察看器。
队列的显示非常的明了。每条序列
占一行,且主要的序列总是在最顶部。只
有序列中用于比对的
部分才显示出来,尽管结构中可能
存在多条链。并且,序列
中的每个字母的颜色都是结构中相应的
alpha
碳
(
或磷
)
的颜色。高亮显示也一样在
序列窗体和结构窗体中共享。
然而,
Cn3D
中基于结构的比较和序列比较和通常的比较算法如
BLAST
或
ClustalW
在显示和根本的比对数据方面都有一些重要
的不同。这将在下一节中介
绍。
Cn3D
的比对模块
新的用户在
Cn3D
中察看一个
VAST
比对时的第一个问题可能是,
为什么一
些字母要大写而另一些字母小写?并且这些有趣的
'
~'
是什么意思?
< br>简而言之就
是参与比对的残基以大写字母显示,
未比对的用小写字母标示,
'~'
代表未比对
空
位。
但是,
尤其对于后者,
需要更多的解释。
动态规划比对算法比对残基是基于
突变几率评分,
与其它序列相比较使用空
位来模拟生物进化过程中的插入和删除。
一个插入的残
基与
一个空位匹配,并且
相对应一个分值
(
空位罚分
)
。
这些匹配的空位通常用
'-'
字母
标出。也允许出现一个
连续的空位覆盖两条序列
的大的区域,即使当它们之间在进化上存在显着的不同。
在一个
结构比对中
(
例如在
VAST
中
)
,一个残基和另一个残基匹配因为它们的
alpha
p>
碳原子在空间上临近。因此,一个残基与空
位匹配的概念是没有物理
意义
的,
因为一个空间结构的
alpha
碳是不能和另一个结构中的空位空间相联系的。
因此比对变得不连续了:
匹配的区域
-
螺旋或条带在两个结构之间连续又紧密的
交迭
p>
-
由未匹配的区域分隔,这些构成了不能重叠的由各种不同长度不同
方向的
片断的交替。
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