The design, implementation, and capabilities of an extensible visualization system, UCSF Chimera, are discussed. Chimera is segmented into a core that provides basic services and visualization, and extensions that provide most higher level functionality. This architecture ensures that the extension mechanism satisfies the demands of outside developers who wish to incorporate new features. Two unusual extensions are presented: Multiscale, which adds the ability to visualize large-scale molecular assemblies such as viral coats, and Collaboratory, which allows researchers to share a Chimera session interactively despite being at separate locales. Other extensions include Multalign Viewer, for showing multiple sequence alignments and associated structures; ViewDock, for screening docked ligand orientations; Movie, for replaying molecular dynamics trajectories; and Volume Viewer, for display and analysis of volumetric data. A discussion of the usage of Chimera in real-world situations is given, along with anticipated future directions. Chimera includes full user documentation, is free to academic and nonprofit users, and is available for Microsoft Windows, Linux, Apple Mac OS X, SGI IRIX, and HP Tru64 Unix from http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/.

Abstract UCSF ChimeraX is the next‐generation interactive visualization program from the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics (RBVI), following UCSF Chimera. ChimeraX brings (a) significant performance and graphics enhancements; (b) new implementations of Chimera's most highly used tools, many with further improvements; (c) several entirely new analysis features; (d) support for new areas such as virtual reality, light‐sheet microscopy, and medical imaging data; (e) major ease‐of‐use advances, including toolbars with icons to perform actions with a single click, basic “undo” capabilities, and more logical and consistent commands; and (f) an app store for researchers to contribute new tools. ChimeraX includes full user documentation and is free for noncommercial use, with downloads available for Windows, Linux, and macOS from https://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax .

Abstract UCSF ChimeraX is next‐generation software for the visualization and analysis of molecular structures, density maps, 3D microscopy, and associated data. It addresses challenges in the size, scope, and disparate types of data attendant with cutting‐edge experimental methods, while providing advanced options for high‐quality rendering (interactive ambient occlusion, reliable molecular surface calculations, etc.) and professional approaches to software design and distribution. This article highlights some specific advances in the areas of visualization and usability, performance, and extensibility. ChimeraX is free for noncommercial use and is available from http://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax / for Windows, Mac, and Linux.

ModBase (http://salilab.org/modbase) is a database of annotated comparative protein structure models. The models are calculated by ModPipe, an automated modeling pipeline that relies primarily on Modeller for fold assignment, sequence-structure alignment, model building and model assessment (http://salilab.org/modeller/). ModBase currently contains 10,355,444 reliable models for domains in 2,421,920 unique protein sequences. ModBase allows users to update comparative models on demand, and request modeling of additional sequences through an interface to the ModWeb modeling server (http://salilab.org/modweb). ModBase models are available through the ModBase interface as well as the Protein Model Portal (http://www.proteinmodelportal.org/). Recently developed associated resources include the SALIGN server for multiple sequence and structure alignment (http://salilab.org/salign), the ModEval server for predicting the accuracy of protein structure models (http://salilab.org/modeval), the PCSS server for predicting which peptides bind to a given protein (http://salilab.org/pcss) and the FoXS server for calculating and fitting Small Angle X-ray Scattering profiles (http://salilab.org/foxs).

The Molecular Interactive Display and Simulation (MIDAS) system is designed to display and manipulate large macromolecules, such as proteins and nucleic acids. Several ancillary programs allow for such features as computing the surface of a molecule, selecting an active site region within a molecule, and computing electrostatic charge potentials. At the core of MIDAS is a hierarchical database system, designed specifically for macromolecules, that is both compact in its storage requirements and fast in its data access.

We describe methods for interactive visualization and analysis of density maps available in the UCSF Chimera molecular modeling package. The methods enable segmentation, fitting, coarse modeling, measuring and coloring of density maps for elucidating structures of large molecular assemblies such as virus particles, ribosomes, microtubules, and chromosomes. The methods are suitable for density maps with resolutions in the range spanned by electron microscope single particle reconstructions and tomography. All of the tools described are simple, robust and interactive, involving computations taking only seconds. An advantage of the UCSF Chimera package is its integration of a large collection of interactive methods. Interactive tools are sufficient for performing simple analyses and also serve to prepare input for and examine results from more complex, specialized, and algorithmic non-interactive analysis software. While both interactive and non-interactive analyses are useful, we discuss only interactive methods here.

Abstract Background Comparing related structures and viewing the structures in the context of sequence alignments are important tasks in protein structure-function research. While many programs exist for individual aspects of such work, there is a need for interactive visualization tools that: (a) provide a deep integration of sequence and structure, far beyond mapping where a sequence region falls in the structure and vice versa; (b) facilitate changing data of one type based on the other (for example, using only sequence-conserved residues to match structures, or adjusting a sequence alignment based on spatial fit); (c) can be used with a researcher's own data, including arbitrary sequence alignments and annotations, closely or distantly related sets of proteins, etc.; and (d) interoperate with each other and with a full complement of molecular graphics features. We describe enhancements to UCSF Chimera to achieve these goals. Results The molecular graphics program UCSF Chimera includes a suite of tools for interactive analyses of sequences and structures. Structures automatically associate with sequences in imported alignments, allowing many kinds of crosstalk. A novel method is provided to superimpose structures in the absence of a pre-existing sequence alignment. The method uses both sequence and secondary structure, and can match even structures with very low sequence identity. Another tool constructs structure-based sequence alignments from superpositions of two or more proteins. Chimera is designed to be extensible, and mechanisms for incorporating user-specific data without Chimera code development are also provided. Conclusion The tools described here apply to many problems involving comparison and analysis of protein structures and their sequences. Chimera includes complete documentation and is intended for use by a wide range of scientists, not just those in the computational disciplines. UCSF Chimera is free for non-commercial use and is available for Microsoft Windows, Apple Mac OS X, Linux, and other platforms from http://www.cgl.ucsf.edu/chimera .

Structural modeling of macromolecular complexes greatly benefits from interactive visualization capabilities. Here we present the integration of several modeling tools into UCSF Chimera. These include comparative modeling by MODELLER, simultaneous fitting of multiple components into electron microscopy density maps by IMP MultiFit, computing of small-angle X-ray scattering profiles and fitting of the corresponding experimental profile by IMP FoXS, and assessment of amino acid sidechain conformations based on rotamer probabilities and local interactions by Chimera.

In the post-genomic era, the rapid increase in high-throughput data calls for computational tools capable of integrating data of diverse types and facilitating recognition of biologically meaningful patterns within them. For example, protein-protein interaction data sets have been clustered to identify stable complexes, but scientists lack easily accessible tools to facilitate combined analyses of multiple data sets from different types of experiments. Here we present clusterMaker, a Cytoscape plugin that implements several clustering algorithms and provides network, dendrogram, and heat map views of the results. The Cytoscape network is linked to all of the other views, so that a selection in one is immediately reflected in the others. clusterMaker is the first Cytoscape plugin to implement such a wide variety of clustering algorithms and visualizations, including the only implementations of hierarchical clustering, dendrogram plus heat map visualization (tree view), k-means, k-medoid, SCPS, AutoSOME, and native (Java) MCL. Results are presented in the form of three scenarios of use: analysis of protein expression data using a recently published mouse interactome and a mouse microarray data set of nearly one hundred diverse cell/tissue types; the identification of protein complexes in the yeast Saccharomyces cerevisiae; and the cluster analysis of the vicinal oxygen chelate (VOC) enzyme superfamily. For scenario one, we explore functionally enriched mouse interactomes specific to particular cellular phenotypes and apply fuzzy clustering. For scenario two, we explore the prefoldin complex in detail using both physical and genetic interaction clusters. For scenario three, we explore the possible annotation of a protein as a methylmalonyl-CoA epimerase within the VOC superfamily. Cytoscape session files for all three scenarios are provided in the Additional Files section. The Cytoscape plugin clusterMaker provides a number of clustering algorithms and visualizations that can be used independently or in combination for analysis and visualization of biological data sets, and for confirming or generating hypotheses about biological function. Several of these visualizations and algorithms are only available to Cytoscape users through the clusterMaker plugin. clusterMaker is available via the Cytoscape plugin manager.