Visualization of protein structures, complexes, and annotations

Aliaksei Chareshneu, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Proteiny jsou základními stavebními kameny biologických systémů. Díky nedávným pokrokům v oblasti metodiky v rámci strukturní biologie má nyní mnoho proteinů svou strukturní reprezentaci. Tyto datové sady umožnily vědcům provádět pokročilejší studie a produkovat obrovské množství anotačních dat. Pro pochopení strukturních a anotačních informací je prospěšné tato data interaktivně zobrazovat. Přestože existuje mnoho softwarových nástrojů vhodných k tomuto účelu, nepokrývají tyto nástroje všechny nezbytné případy využití strukturních a anotačních dat. Například webová vizualizace segmentačních dat (tzn. dat dekompozice obrazu na regiony, kterým může být přidělen určitý význam) má jen omezenou softwarovou podporu. Další mezerou ve funkční výbavě dostupného softwaru je zobrazování konsensu objektů sekundární struktury (SSE), který ukazuje konzervované a variabilní oblasti v rámci struktury proteinových rodin. Jiným případem využití, který není vyřešen z vizualizačního hlediska, je oblast zobrazování velkých proteinových rodin, které obsahují obrovské množství strukturních a funkčních informací a je obtížné se v nich zorientovat. Reprezentativním příkladem takovéto proteinové rodiny je rodina nikotin-acetylcholinových receptorů (nAChR) - iontových kanálů, zprostředkujících synaptický přenos. Tato disertační práce se zaměřuje na vývoj softwarových nástrojů, které pokrývají výše uvedené mezery v oblasti zobrazování a vizualizačních nástrojů. Práce nejprve představuje Mol* Volumes & Segmentations, webovou aplikaci pro vizualizaci rozsáhlých objemových, segmentačních a anotačních dat v reálném čase, doplněných o makromolekulární souřadnice. Dále práce prezentuje OverProt – webový server, který generuje a vizualizuje konsensus SSE ukazující typ SSE, délku, výskyt, prostorovou variabilitu a beta-konektivitu. Nakonec tato práce popisuje NAChRDB – webovou databázi anotací struktury a funkce reziduí proteinové rodiny nAChR, která je mapována na interaktivní 3D vizualizaci a na sekvenční přiložení proteinů této rodiny.

Abstract:

Proteins are key building blocks in biological systems. Thanks to the recent methodological advancements in structural biology, many proteins now have structural representation. These datasets allowed scientists to conduct more advanced studies, producing huge amounts of annotation data. It is beneficial to visualize this data interactively in order to comprehend the structural and annotation information. Though many software tools suitable for this task exist, they do not cover all essential use cases. For example, online visualization of segmentation data (decomposition of an image into regions that can be associated with defined objects) has limited software support. Another gap in functionality of available software is the visualization of the consensus of secondary structure elements (SSEs), which highlights the conserved structural features and variations in a protein family. Another use case focuses on large protein families, which contain vast amounts of structural and functional information that is hard to navigate. A representative example of such a protein family is a family of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) – ion channels mediating synaptic transmission. This thesis is focused on the development of software applications, covering the gaps mentioned earlier. First, this thesis presents Mol* Volumes & Segmentations, a web application for real-time visualization of large-scale volumetric, segmentation, and annotation data, supported by macromolecular coordinates. Next, it introduces OverProt – a web server that constructs and visualizes SSE consensus, showing the SSE type, length, occurrence, spatial variability and beta-connectivity. Finally, this thesis presents NAChRDB - an example of web-accessible database of structural and functional residue-level annotations of a particular protein family (i.e., nAChRs family) mapped onto interactive 3D visualization and sequence alignment of proteins in the family.

Keywords

3D visualization of proteins, volume segmentations, secondary structure consensus, nicotinic acetylcholine receptors, annotations, 3D vizualizace proteinů, objemové segmentace, konsensus sekundární struktury, nikotinové acetylcholinové receptory, anotace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 7. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 8. 9. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Radka Svobodová, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Filip Lankaš, PhD., doc. Ing. Tomáš Martínek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biomolecular chemistry and bioinformatics / Biomolecular chemistry and bioinformatics