Yasuhiro Matsunaga
Lab

PyMOLハンズオン

PyMOLとは？

  • 20年くらいの歴史がある分子構造可視化ソフト

  • 分子可視化ソフトにはVMDやCHIMERAなどがあるが、表示の美しさ・センスの良さで定評がある

  • Python、OpenGL、FreeGLUTなどを使用している

  • Warren DeLano個人によって開発されていたが、彼が突然亡くなってしまったため現在はSchrödinger社(バイオ系のソフトウェア会社)によって引き受けられている

  • オープンソース版と有料ライセンス(バイナリとプラスαの機能配布)がある

Protein Data Bank (PDB)

インストール

オープンソース版をインストールします。現状、MacOSにはHomebrew経由でいれるのがよいです。HomebrewはAnacondaと相性が悪いので、Anacondaはアンインストールするか、pyenvで環境をわけるのが推奨です。

HomebrewでPyMOLをインストールするには @Ag_smithさん 謹製のHomebrewレシピを使わせてもらいます https://qiita.com/Ag_smith/items/58e917710c4eddab46ee

$ brew install brewsci/bio/pymol

基本操作

  • 起動オプション
  • ウィンドウ・メニューの説明
  • fetchコマンド
    • fetch PDB-IDでPDBから構造データをダウンロードして構造を表示します
  • マウス操作
    • 左ドラッグで回転
    • 右ドラッグで拡大・縮小
    • Optionを押しながら左ドラッグで並進
    • スクロールでslab
  • Objectメニュー
    • Action, Show, Hide, Label, Color
  • seqenceメニュー
    • 配列の部分(selection)を選択するのに便利

コマンドの文法

PyMOLのコマンドは以下のような文法になっています。

何かの処理 オブジェクト

例えば

center all

というコマンドは、全てのオブジェクト(all)を真ん中へ移動させる(center)という処理を行います。

オブジェクトは、構造データ(PDBファイルなど)を読み込んだり、読み込んだ構造を選択(selection)することで作ることができます。

コマンドの実践

実際にコマンドを実行しながら、処理やselectionのやり方を見ていきましょう

# PDBから PDB ID=1ake の chain=Aの構造をダウンロードする
fetch 1akeA

# 全てのオブジェクトを真ん中へ移動させる(allの省略も可)
center all

# 全てのオブジェクトのline表示を追加する
show lines, all

# 特定のオブジェクト(1akeA)をline表示だけにする
as lines, 1akeA

# chain Aの色を赤にする
color red, chain A

# 元素名sのsphere表示を追加する
show spheres, elem s

# 原子名cまたはnまたはoまたはcaのstick表示を追加する
show sticks, name c+n+o+ca

# アミノ酸残基番号10〜15の色を青にする
color blue, resid 7:13

# アミノ酸残基名pro(proline)の色を黄色にする
color yellow, resn pro

# 分子種をselectして表示を変える
as cartoon, polymer
as spheres, solvent
as sticks, organic

# 二次構造をselectしての色を変える
as cartoon
color purple, ss h #ヘリックス
color yellow, ss s #シート
color red, ss l #ループ
color blue, ss “” #それ以外

# logical operatorを使って複雑なselectionを行う
show dots, not name c+n+o+ca #側鎖
color white, resn ala and resid 1:30 and chain A

# selectionを名前を付けてオブジェクトとして保存し、後で使う
select backbone, name c+n+o+ca
show sticks, backbone

# 距離でselectする
as cartoon
show sticks, organic
show sticks, organic around 5.0
show sphere, organic around 5.0 and solvent

他のよく使うコマンド

構造の取得、ファイルの読み込み

#PDB-IDを指定してPDBから構造データをとってくる
fetch 4ake
#更に、Chain=Aを指定する
fetch 4akeA
#構造ファイルを読み込む
load 4ake.pdb

Pymol session(pseファイル)の保存と読み込み

save 4ake.pse
load 4ake.pse

画像ファイルとして保存

# レイトレーシングして綺麗にしてから
ray
# pngへ保存
png 4ake.png

PyMOLの初期化

reinitialize

表示の変更

showは表示を加える
asはその表示だけにする
hideは表示を隠す

背景色を変える

bg_color white

構造のセンタリング、方向調整、拡大

center, orient, zoom

構造の重ね合わせ

align mobile, target
super mobile, target

ヘルプ

help コマンド名

Scene(シーン)

Sceneとは構造の表示や見ている角度を含んだ現在の可視化状態のことを言います。PyMOLではこのSceneを何個も保存して、後で気軽に呼び出すことができます。

Sceneの保存

scene new, store
# またはメニューから保存
# またはFn+Cmd+→ on Mac

Sceneの呼び出し

# 左下のSceneボタンをクリック

PyMOLのワークフロー

  1. 構造をとってくる
    • fetch 4ake
  2. 見やすい角度や表現でsceneを保存する
    • scene 001, store
    • またはアップデートの時は、scene 001, update
  3. PyMOL session(pse)として保存する
    • save myfile.pse
  4. 次回作業する時はpseを開き、2へ戻る
    • load myfile.pse または起動時に $ pymol myfile.pse

輪講で勉強したことの確認をする

それでは輪講で勉強したタンパク質の構造の特徴を実際に確認してみましょう。 確認したらその都度sceneとして保存していきましょう。最後にpseとして保存しましょう。

初期化して構造をとってくる

reinitialize
fetch 4akeA

二次構造と水素結合

# 二次構造判定
as cartoon
dss #本当はdsspかstrideで二次構造判定することを推奨
# 主鎖の水素結合を表示
as sticks, name c+n+o+ca
Objectメニュー 4akeA -> Action -> find -> polar contacts -> just intra-main chain

疎水性

# 疎水性残基を黄色で表示。内部に埋もれていることを確認する
select hydrophobic, resn ala+cys+gly+val+ile+leu+phe+pro+met+trp+tyr
show spheres, hydrophobic
color yellow, hydrophobic

親水性

# 親水性残基を黄色で表示。表面に露出していることを確認する
select hydrophilic, resn arg+asn+asp+gln+glu+his+lys+ser+thr
show spheres, hydrophilic
color blue, hydrophilic

分子表面

as surf

Solvent accessible surface area (SASA)

# PyMOLではSASAの値だけ
Objectメニュー -> 4akeA -> compute -> surface area -> solvent accessible

静電ポテンシャル

Objectメニュー -> 4akeA -> action -> generate -> vacuum electrostatics -> protein contact potential (local)

重ね合わせて構造比較

reinitialize
fetch 1akeA
fetch 4akeA
align 4akeA, 1akeA

結合ポケット(空洞、cavity)

# 簡易的であるがPyMOLのcavityモードを使う
# タミフルでの例
reinitialize
fetch 2ht7
show surf
set surface_cavity_mode, 1
set surface_color, gray

課題1

膜タンパク質の一つで分子を輸送するトランスポータというタンパク質の種類があります。PDB ID = 4dx5 は多剤排出トランスポータAcrBというタンパク質で、薬剤などを輸送します。

  • 4dx5は3つのChainから成っています。どれも似た構造なので、Chain Bだけを表示させてみましょう。

  • 4dx5を fetch してPyMOLで可視化させてみましょう。疎水性アミノ残基を色分けして表示させてみて、疎水アミノ残基がどの領域に集まっているか確認しましょう。

  • 4dx5には、薬剤である minocycline (PDBの中での残基名は MIY)が結合しています。それを sphere で表示させて確認してみましょう。minocyclineが結合している場所は確かにポケットがあるかPyMOLで確認してみましょう。

  • minocyclineの周りのアミノ酸残基は疎水性でしょうか？親水性でしょうか？

PyMOL実践1: リガンドとタンパク質の相互作用の可視化

Adenylate kinase (PDB ID 1ake や 4ake)の 1ake 構造は、リガンド(Ap5A、PDBの中での残基名は AP5)が結合しています。リガンドがどの原子との相互作用によって結合しているのか確認してみましょう。

fetch 1akeA
zoom
hide everything
select ligand, resn AP5
as sticks, ligand
as sticks, ligand around 5.0
Objectメニュー -> ligand -> Action -> find -> polar contacts -> to other atom in object
zoom ligand

更に、わかりやすいように周りの原子名を文字で表示(ラベル)させてみましょう

PyMOL実践2: シミュレーショントラジェクトリの観察

シミュレーションデータには、DCDやNetCDFというフォーマットがあります。 これのフォーマットは主に原子のXYZ座標のみを保存するためのもので、 原子名やアミノ酸残基名は含まれていません。 したがって、PDBなどの原子名を含むファイルと一緒に読み込んでやる必要があります。

トラジェクトデータは ここ からダウンロードしてください。このシミュレーションデータは、Adenylate kinase (PDB ID 1ake や 4ake)の1akeの構造から分子動力学シミュレーションを行って得られたものです。

例えば、PDBとDCDファイルを読み込む場合、以下のようにします

# 最初にPDBファイルをオブジェクト名 obj として読み込む
load ak.pdb, obj, 0, pdb 
# load_trajというコマンドを用いて、DCDデータを obj へ追加する
load_traj ak.dcd, obj, 0, dcd

ちょっとコマンドが長くなってしまうので、シェルの起動コマンドラインの引数 -d でPyMOLコマンドを起動時に実行してしまって、 それをシェルのコマンド履歴に覚えさせてしまうのが便利です。

$ pymol -d "load ak.pdb, obj, 0, pdb; load_traj ak.dcd, obj, 0, dcd"

まず、水やイオンが大量に入っていることが確認できると思います。PyMOLの右下にある「再生」ボタンを押して動くを確認してください。PyMOLでは異なるフレームの構造を state として保存しています。

水やイオンが確認できた後で、タンパク質構造に集中するために水とイオンを削除します。以下のコマンドを使います。

remove solvent or inorganic

タンパク質に結合しているリガンド(Ap5A)をstickで表示させます

show sticks, organic

シミュレーションデータの構造には水素原子が含まれているのが確認できます。水素原子は構造を見るのに邪魔(といってもプロトンが重要であることはよくありますが)なので、水素原子も消します

# h. は水素原子を選択するの略語
remove h.

シミュレーション結果は分子の並進・回転が入っているで重ね合わせをして取り除きます。2つの異なるオブジェクト同士では align や super といったコマンドを用いましたが、同じオブジェクト内の異なるフレーム(state)の構造を重ね合わせるには intra_fit というコマンドを使います。

# polymerでタンパク質だけを指定して重ね合わせ
intra_fit polymer

課題2

重ね合わせができたら、これまで実験構造を観察するために学んだ様々な表示を行ってみましょう。例えば、リガンド(Ap5A)と相互作用しているアミノ酸残基を stick表示するのは以下のコマンドです。

select ligand, resn AP5
select active, byres all within 3.5 of ligand
show sticks, active

  • リガンド(Ap5A)と相互作用している原子を表示させて、それが時間(state)とともにどのように変化していくか観察してください。

  • リガンド(Ap5A)との相互作用の変化が、タンパク質全体の構造とどのように関連しているでしょうか？観察してみましょう。

PyMOL実践3: フォールディングトラジェクトリの観察

Villin headpiece (PDB ID 1yrf)のフォールディングシミュレーションデータを観察します。

トラジェクトデータは ここ からダウンロードしてください。これは分子動力学シミュレーションから得られたトラジェクト理で、フォールディングとアンフォールディングを何回か繰り返しています。

以下のコマンドでデータを読み込みましょう。オブジェクト名で1yrfが天然構造、mdがトラジェクトリとなります。

$ pymol -d "load 1yrf.pdb; load 1yrf.pdb, md, 0, pdb; load_traj 1yrf.dcd, md, 0, dcd"

天然構造へ重ね合わせをしましょう

align md, 1yrf

さらにトラジェクトリの異なる時間(フレーム, state)を重ね合わせます

intra_fit polymer
  • TODO: 天然構造での相互作用の確認
  • TODO: トラジェクトりの観察
  • TODO: 動画の作り方

参考