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BioCyc代谢网络浏览器

抽象的

背景

代谢网络浏览器是BioCyc.org网站和路径工具软件套件的新添加,支持交互探索代谢网络。任何代谢网络可视化工具必须只显示所有可能的代谢连接的子集,否则结果将在视觉上令人不知所措。现有的工具,即使是那些旨在显示生物体完整代谢网络的工具,也会根据预定义的路径或其他预先选择的标准限制所显示的连接集。相反,我们希望提供一种工具,让用户能够动态地控制要遵循哪些连接。

结果

代谢网络资源管理器是一种易于使用的基于Web的软件工具,允许用户指定感兴趣的起始代谢物,并且在任何期望深度或两个方向上交互地探索其立即探索其所需深度,让用户选择全套连接反应。虽然,对于其他工具,只有一小部分代谢网络一次可见,所以基于完全反应补充,用户选择该部分,并且易于在替代的感兴趣路径中切换。显示屏直观,可自定义,并提供更详细信息页面的大量链接。

结论

代谢网络浏览器填补了代谢网络可视化工具集的空白,并补充了其他探索模式。它的主要优点是易于使用,图解对生物学家来说是直观的,它与BioCyc途径/基因组数据库提供的更广泛的数据集集成。

背景

代谢网络是大型和复杂的图形,可能是令人生畏的。过去的研究提供了用于探索代谢网络的多种模式。高度局部模式包括观察单一反应,单个代谢物和他们参与的反应[14.6.]并在单独或连接分组中查看预定义的代谢途径[13.4.5.6.11.]。这些方法缺乏较大的网络上下文。全球探索模式包括整个代谢网络的可视化[9.10.12.或者更确切地说,所有代谢物与一组有限的反应边缘组合,因为包括所有反应通常产生不可理解的缠结。

代谢网络浏览器填补了现有探索模式的空白,用户可以从一个起始代谢物开始,通过在网络中前后移动,构建任意长度的线性路径,交互式地探索围绕该起始代谢物的代谢邻域。Explorer允许在不使用预先定义的路径的情况下探索连接的反应集。

代谢网络资源管理器是Biocyc.org网站和路径工具软件套件的新增功能。Biocyc [7.]是超过18000个生物的路径/基因组数据库(pgdb)的集合,包括EcoCyc,它描述了基因、代谢和其他功能大肠杆菌K-12 Mg1655和MetacyC,一种代谢反应和来自所有生命分支的酶数据库。Biocyc网站由Pathway Tools提供动力[8.],一种用于生成,维护,分析,可视化和Web发布PGDB的软件环境。要访问代谢网络资源管理器,请转至https://biocyc.org.(或任何其他途径工具网站)并从新陈代谢菜单中选择代谢网络资源管理器。选择有机体PGDB时,该工具将访问该生物体的代谢网络。当Meticacc是所选的PGDB时,该工具可以访问代谢物和来自诸如代谢工程等应用领域的代​​谢物和反应。进入ecocyc和metacyc是免费的;访问超出有限数量的免费每月PageViews的其他PGDB需要付费订阅。或者,用户可以在本地安装路径工具,构建来自其注释的基因组的任何感兴趣的生物的PGDB,并使用代谢网络探险者交互式探索其预测的代谢网络。

我们不知道其他工具允许代谢网络资源管理器提供的基于邻域的探索。代谢数据库如生物症[7.], KEGG [6.], Reactome [3.],Brenda [4.,和SMPDB [5.]提供局部勘探,例如单个反应和途径的可视化。可视化全局代谢网络的工具包括Biocyc的产品[10.], KEGG [9.,和Reactome [12.]。MetExploreViz [2]是一个支持任意代谢网络的可视化的Web工具,采用了力定向的布局算法,但当网络非常大时,这些图变得非常难以导航和理解。

执行

代谢网络资源管理器是一个Web应用程序,其显示器完全使用HTML,JavaScript和CSS生成。主数据结构是由步骤列表组成的简单线性路径,使得每个步骤由代谢物和可选的继承反应组成,该反应将代谢物链接到下一步。第二数据结构记录从数据库检索的每个代谢物的代谢邻域。代谢物的代谢邻居m是一个JavaScript对象,它根据数据库中的一组反应,包括可能的前体和后体代谢物的几乎完整列表。(少量无处不在的无机分子,如水,H+和磷酸盐省略了前任和继承代谢物列表。)前体代谢物是任何代谢物P.使反应存在于P.作为反应物和m作为一个产品。后继代谢物是任何代谢物S.使反应存在于m作为反应物和S.作为一个产品。一些反应是可逆的或未指明的方向性;在这种情况下,代谢物可以是前任或继任者,所以包括在两个类别中。对于每个邻居代谢物,我们记录将邻居链接到的反应列表m。每种反应的数据包括其全反应方程,其EC号,催化反应的酶列表,以及反应参与的任何途径。

用户指定起始代谢物,并且向BioCyc或其他路径工具服务器发出查询以检索所选启动代谢物的直接代谢邻域。Web浏览器将启动代谢物与左侧可能的前体列表以及右侧可能的继承者列表列表。用户可以在任何前体或继承代谢物上窥视有关连接反应的信息。用户还可以单击任何代谢物旁边的加图标,以将代谢物添加到路径。如果要添加的代谢物是在路径中的第一个代谢物的前体或者在路径中的最后最后代谢物中的继承者,则路径沿这种方向延伸。如果所选的代谢物连接到电流路径上的中间代谢物,则它将取代连接到中间代谢物的路径的现有部分。因此,只有只有单个线性路径(加上所有代谢物上的所有前代和继承者)一次都可以显示该线性路径上的所有代谢物)。当替换路径的一部分时,原始路径被保存到先前路径的列表中。用户可以在先前路径之间轻松转换。含有多于一个代谢物的路径显示为垂直线性途径图,每种反应任选地包括侧代谢物,酶和基因,EC号,复合结构和与途径的链接。

图。1
图1

一个示例代谢网络探索器显示,显示从2-氧代丁酸盐酯到O-琥珀酰基的交互性构造的路径L.-homoserine.

图2
figure2

一个代谢网络浏览器显示的例子,显示了一个交互地向后构建的路径L.精氨酸,L.-Citrulline。已经启用了化学结构的显示,并显示了用于中间步骤的前身和继承人候选者。当用户在候选前任或后继(在这种情况下,在这种情况下,该显示器也显示了在工具提示中呈现的信息(在这种情况下agmatine)

结果

数字1显示一条短路,通过从Ecocyc中的代谢产物琥珀酸盐开始,并交互地扩展到2-氧氧化丁烷酯(顶部)并向O-琥珀酰基向后膨胀两步L.-homoserine(底部)。沿途探索了其他路径;它们列在面板的先前路径部分,右侧可以通过单击它们来恢复。显示屏是富有的信息,而且很容易让生物学家迅速理解。给定代谢物的所有潜在前身或继任者代谢物被收集到一个列表中(如果数量很大,则滚动到每个中央代谢物的左侧或右侧的前身和obeglutarate的情况也是如此。最小化图杂乱。Plus图标上的颜色编码表示对代谢物的反应和/或来自代谢物的反应是单向的,潜在的双向的,自发的,或者是否有多种反应。当路径包括由多个反应连接的两个代谢物时,如在图中的中间代谢物的情况下,列出了反应的数量,并且用户可以选择显示该次数。该图是可自定义的,允许用户选择应可见的显示元素。数字2显示第二个示例路径,其中显示设置已更改为显示复合结构,并禁止显示除路径开始和结束处的所有前任和后继候选路径之外的所有前任和后继候选路径。图中的几乎所有内容都是可点击的。点击主路径上的代谢物、反应箭头、酶、基因或路径名称,将在单独的浏览器选项卡中打开该对象的详细数据页面。点击一个代谢物在前任或继任者列表,就会跳出一个小面板包含超链接到代谢物和所有反应,酶,基因和通路连接代谢物,所以用户可以检查他们的更多细节,然后再决定是否延长代谢物的路径。右边面板的“生成链接”按钮用当前显示的路径生成一个到代谢网络浏览器预置的URL,这样路径可以很容易地保存或共享。

结果是一种工具,可以轻松地,交互式浏览代谢网络。与其他更广泛的网络可视化工具不同,不需要先前预选或预先加载子网,超出感兴趣数据库的初始选择之外。限制工具,只有一次显示一个线性路径的时间允许紧凑,易于读取的美观吸引力显示,但是所选路径中每个代谢物可见的完整前身和继承代谢物列表可以轻松识别和探索备用路径。随时访问与当前路径相关的反应,途径和酶的详细信息页面提供了重要的背景。

结论

代谢网络浏览器是一种新的web工具,可以交互生成和显示感兴趣的小代谢子网络,而不局限于预定义的路径。它的主要优点是易于使用,图解对生物学家来说是直观的,以及它与PGDB提供的更广泛的数据集的集成。它补充了与代谢网络交互的其他工具,并填补了代谢网络可视化工具集的一个重要空白。

数据和材料的可用性

此工具使用的数据是BioCyc数据收集的一部分,可用https://biocyc.org.。进入ecocyc和metacyc是免费的。访问其他生物的数据需要在免费使用期后订阅。Pathway Tools软件可以免费提供有签名许可协议的学术用户,可为商业用户提供费用。Ecocyc和MetacyC数据与软件捆绑在一起,具有需要订阅的其他生物的数据。要获取软件,请参阅https://biocyc.org/download.shtml.shtml.。源代码可根据要求供许可证提供。

缩写

PGDB:

途径/基因组数据库

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下载参考

致谢

不适用。

资金

该出版物中报道的研究是由美国国立卫生研究院的国家普通医学科学研究所支持的,奖励编号为GM080746。内容仅由作者负责,不一定代表国家卫生研究院的官方观点。NIH在研究设计中没有扮演任何角色;也不用于收集、分析或解释数据;也不是写手稿。

作者信息

隶属关系

作者

贡献

SP设计并实施了软件并写了肉装的大部分。PK构思了该工具并提供了指导和监督,并为稿件做出了贡献。这位作者都读到并批准了最终手稿。

通讯作者

对应于Suzanne Paley.

伦理宣言

伦理批准和同意参与

不适用。

同意发布

不适用。

利益争夺

作者们宣称他们没有相互竞争的利益。

附加信息

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引用这篇文章

Palyy,S.,Karp,P.D.Biocyc代谢网络资源管理器。欧宝娱乐合法吗22,208(2021)。https://doi.org/10.1186/s12859-021-04132-5

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