Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1030810.32607/20758251-2019-11-1-74-80Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleCASBench: A Benchmarking Set of Proteins with Annotated Catalytic and Allosteric Sites in Their StructuresCASBench: эталонный набор белков с аннотированными каталитическим и аллостерическим сайтами в их структурахZlobinA. S.ЗлобинA. С.
Russian Federation
vytas@belozersky.msu.ruSuplatovD. А.СуплатовД. А.
Russian Federation
vytas@belozersky.msu.ruKopylovK. Е.КопыловK. Е.
Russian Federation
vytas@belozersky.msu.ruŠvedasV. К.ШвядасВ. К.
Russian Federation
vytas@belozersky.msu.ruLomonosov Moscow State University, Belozersky Institute of Physico-Chemical BiologyМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского15032019111VOL 11, NO1 (2019)ТОМ 11, №1 (2019)748017012020Copyright ©; 2019, Zlobin A.S., Suplatov D.А., Kopylov K.Е., Švedas V.К.Copyright ©; 2019, Злобин A.С., Суплатов Д.А., Копылов K.Е., Швядас В.К.2019Zlobin A.S., Suplatov D.А., Kopylov K.Е., Švedas V.К.Злобин A.С., Суплатов Д.А., Копылов K.Е., Швядас В.К.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10308

In recent years, the phenomenon of allostery has witnessed growing attention driven by a fundamental interest in new ways to regulate the functional properties of proteins, as well as the prospects of using allosteric sites as targets to design novel drugs with lower toxicity due to a higher selectivity of binding and specificity of the mechanism of action. The currently available bioinformatic methods can sometimes correctly detect previously unknown ligand binding sites in protein structures. However, the development of universal and more efficient approaches requires a deeper understanding of the common and distinctive features of the structural organization of both functional (catalytic) and allosteric sites, the evolution of their amino acid sequences in respective protein families, and allosteric communication pathways. The CASBench benchmark set contains 91 entries related to enzymes with both catalytic and allosteric sites within their structures annotated based on the experimental information from the Allosteric Database, Catalytic Site Atlas, and Protein Data Bank. The obtained dataset can be used to benchmark the performance of existing computational approaches and develop/train perspective algorithms to search for new catalytic and regulatory sites, as well as to study the mechanisms of protein regulation on a large collection of allosteric enzymes. Establishing a relationship between the structure, function, and regulation is expected to improve our understanding of the mechanisms of action of enzymes and open up new prospects for discovering new drugs and designing more efficient biocatalysts. The CASBench can be operated offline on a local computer or online using built-in interactive tools at https://biokinet.belozersky.msu.ru/casbench.

В последние годы все большее внимание уделяется явлению аллостерии. Это обусловлено как фундаментальным интересом к поиску новых путей регуляции функциональных свойств белков, так и перспективами использования аллостерических сайтов в качестве мишеней для дизайна лекарствен ных препаратов с меньшей токсичностью за счет большей селективности связывания и специфичности ме ханизма действия. Современные методы биоинформатики позволяют в отдельных случаях обнаруживать ранее неизвестные центры связывания лигандов, однако для создания более универсальных и эффектив ных подходов необходимо дальнейшее изучение общих закономерностей и отличительных особенностей структурной организации функциональных (каталитических) и аллостерических сайтов, эволюции их аминокислотных последовательностей в семействах гомологичных белков, а также путей аллостерической коммуникации. Эталонный набор CASBench содержит 91 запись о ферментах, в структурах которых на основании экспериментальной информации из баз данных ASD, CSA и PDB аннотированы как катали тические, так и аллостерические сайты. Полученная выборка может быть использована для оценки эф фективности существующих методов и разработки/обучения перспективных алгоритмов поиска новых каталитических и регуляторных сайтов в структурах белков, а также для изучения механизмов аллостерии на большой выборке ферментов. Установление взаимосвязи между структурой, функцией и регуляцией должно улучшить наше понимание механизмов действия ферментов и предоставить новые возможности для создания новых лекарств и дизайна более эффективных биокатализаторов. Работать с CASBench мож но офлайн на локальном компьютере или онлайн с использованием встроенных интерактивных инструмен тов по адресу https://biokinet.belozersky.msu.ru/casbench.

ligand binding sitescatalytic siteallosteric sitebenchmarking setprotein function and regulationstructure-function relationshipbioinformaticsweb serverаллостерический сайтбиоинформатикавеб-серверкаталитический сайтструктурно-функциональные взаимосвязифункция и регуляция белковцентры связывания лигандовэталонный наборThis work was financially supported by the Russian Science Foundation (grant No. 15-14-00069) using the equipment of the High Performance Computing Centre at the Moscow State University [52].Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 15-14-00069) с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ им. М.В. Ломоносова [52].[1] Laskowski R.A., Gerick F., Thornton J.M. // FEBS Lett. 2009, V.583, №11, P.1692-1698[2] Monod J., Wyman J., Changeux J.P. // J. Mol. Biol. 1965, V.12, №1, P.88-118[3] Koshland D.E., Nemethy G., Filmer D. // Biochemistry. 1966, V.5, №1, P.365-385[4] Nussinov R., Tsai C.J. // Cell. 2013, V.153, №2, P.293-305[5] Cui Q., Karplus M. // Protein Sci. 2008, V.17, №8, P.1295-1307[6] Goodey N.M., Benkovic S.J. // Nat. Chem. Biol. 2008, V.4, №8, P.474-482[7] Arkin M.R., Wells J.A. // Nat. Rev. Drug Discov. 2004, V.3, №4, P.301-317[8] Hardy J.A., Wells J.A. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2004, V.14, №6, P.706-715[9] Suplatov D., Švedas V. // Acta Naturae. 2015, V.7, №4, P.34-45[10] Yang J.S., Seo S.W., Jang S., Jung G.Y., Kim S. // PLoS Comput Biol. 2012, V.8, №7, e1002612[11] Suplatov D., Shalaeva D., Kirilin E., Arzhanik V., Švedas V. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2014, V.32, №1, P.75-87[12] Suplatov D., Kirilin E., Takhaveev V., Švedas V. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2014, V.32, №11, P.1752-1758[13] Suplatov D., Kirilin E., Arbatsky M., Takhaveev V., Švedas V. // Nucleic Acids Research 2014, V.42, №W1, P.W344-W349[14] de Oliveira S., Deane C. // F1000 Research. 2017, V.6, P.1224[15] Anishchenko I., Ovchinnikov S., Kamisetty H., Baker D. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2017, V.114, №34, P.9122-9127[16] Reynolds K.A., McLaughlin R.N., Ranganathan R. // Cell. 2011, V.147, №7, P.1564-1575[17] Raman S., Taylor N., Genuth N., Fields S., Church G.M. // Trends Genet. 2014, V.30, №12, P.521-528[18] Suplatov D.A., Sharapova Ya.A., Timonina D.S., Kopylov K.E., Švedas V. // J. Bioinform. Comput. Biol. 2018, V.16, №2, P.1840005[19] Gunasekaran K., Ma B., Nussinov R. // Proteins. 2004, V.57, №3, P.433-443[20] Chennubhotla C., Yang Z., Bahar I. // Mol. Biosyst. 2008, V.4, №4, P.287-292[21] Hilser V.J., Thompson E.B. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007, V.104, №20, P.8311-8315[22] Popovych N., Sun S., Ebright R.H., Kalodimos C.G. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2006, V.13, №9, P.831-838[23] Wenthur C.J., Gentry P.R., Mathews T.P., Lindsley C.W. // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2014, V.54, P.165-184[24] Lu S., Li S., Zhang J. // Med. Res. Rev. 2014, V.34, №6, P.1242-1285[25] Eglen R., Reisine T. // Pharmacol. Ther. 2011, V.130, №2, P.144-156[26] Nussinov R., Tsai C.J., Csermely P. // Trends Pharmacol. Sci. 2011, V.32, №12, P.686-693[27] Yu J., Zhou Y., Tanaka I., Yao M. // Bioinformatics. 2010, V.26, №1, P.46-52[28] Le Guilloux V., Schmidtke P., Tuffery P. // BMC Bioinformatics. 2009, V.10, №1, P.168[29] Yaffe E., Fishelovitch D., Wolfson H.J., Halperin D., Nussinov R. // Nucleic Acids Research 2008, V.36, №July, S2, P.W210-W215[30] Weisel M., Proschak E., Schneider G. // Chem. Cent. J. 2007, V.1, №7, P.1-17[31] Hernandez M., Ghersi D., Sanchez R. // Nucleic Acids Research 2009, V.37, S2, P.W413-W416[32] Laurie A.T.R., Jackson R.M. // Bioinformatics. 2005, V.21, №9, P.1908-1916[33] Saroj Devi N., Shanmugam R., Ghorai J., Ramanan M., Anbarasan P., Doble M. // Mol. Inform. 2017, V.36, P.1700073[34] Kalinina O.V., Gelfand M.S., Russell R.B. // BMC Bioinformatics. 2009, V.10, №1, P.174[35] Huang B., Schroeder M. // BMC Struct. Biol. 2006, V.6, №1, P.19[36] Huang W., Lu S., Huang Z., Liu X., Mou L., Luo Y., Zhao Y., Liu Y., Chen Z., Hou T., Zhang J. // Bioinformatics. 2013, V.29, №18, P.2357-2359[37] Volkamer A., Kuhn D., Grombacher T., Rippmann F., Rarey M. // J. Chem. Inf. Model. 2012, V.52, №2, P.360-372[38] Gushchina I.V., Nilov D.K., Zakharenko A.L., Lavrik O.I., Švedas V.K. // Acta Naturae. 2017, V.9, №2, P.59-66[39] Suplatov D., Popova N., Zhumatiy S., Voevodin V., Švedas V. // J. Bioinform. Comput. Biol. 2016, V.14, №2, P.1641008[40] Huang Z., Zhu L., Cao Y., Wu G., Liu X., Chen Y., Wang Q., Shi T., Zhao Y., Wang Y. // Nucleic Acids Research 2011, V.39, S1, P.D663-D669[41] Huang W., Wang G., Shen Q., Liu X., Lu S., Geng L., Huang Z., Zhang J. // Bioinformatics. 2015, V.31, №15, P.2598-2600[42] Furnham N., Holliday G.L., de Beer T.A., Jacobsen J.O., Pearson W.R., Thornton J.M. // Nucleic Acids Research 2014, V.42, №D1, P.D485-D489[43] Cock P.J.A., Antao T., Chang J.T., Chapman B.A., Cox C.J., Dalke A., Friedberg I., Hamelryck T., Kauff F., Wilczynski B., De Hoon M.J. // Bioinformatics. 2009, V.25, №11, P.1422-1423[44] Fu L., Niu B., Zhu Z., Wu S., Li W. // Bioinformatics. 2012, V.28, №23, P.3150-3152[45] Suplatov D., Kopylov K., Popova N., Voevodin V., Švedas V. // Bioinformatics. 2018, V.34, №9, P.1583-1585[46] Vouzis P.D., Sahinidis N.V. // Bioinformatics. 2010, V.27, №2, P.182-188[47] Fischer J.D., Mayer C.E., Söding J. // Bioinformatics. 2008, V.24, №5, P.613-620[48] Söding J., Biegert A., Lupas A.N. // Nucleic Acids Research 2005, V.33, №S2, P.W244-W248[49] Katoh K., Standley D.M. // Mol. Biol. Evol. 2013, V.30, №4, P.772-780[50] Hanson R.M., Prilusky J., Renjian Z., Nakane T., Sussman J.L. // Isr. J. Chem. 2013, V.53, №3-4, P.207-216[51] Gille C., Fähling M., Weyand B., Wieland T., Gille A. // Nucleic Acids Research 2014, V.42, №W1, P.W3-W6[52] Sadovnichy V., Tikhonravov A., Voevodin Vl., Opanasenko V. // Contemp. High Perform. Comput. Petascale Exascale. Boca Raton, USA 2013, P.283-307