A-, B- и Z-формы ДНК. Структура РНК

С помощью программы fiber пакета 3DNA были построены A-, B- и Z-формы дуплекса ДНК. Последовательность одной из цепей ДНК в A- и B-формах - пять раз повторенный набор нуклеотидов "TGAC", в Z-форме - десять раз повторенный набор "GC". Полученные pdb структуры можно скачать по ссылкам: A-форма, B-форма, Z-форма.
На рисунках 1-3 представлены структуры полученных фрагментов ДНК. Изображения получены с помощью программы JMol.

Рисунок 1 (слева). A-форма ДНК. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения cartoons.
Рисунок 2 (по центру). B-форма ДНК.
Рисунок 3 (справа). Z-форма ДНК.

На рисунке 4 разными цветами выделены некоторые элементы структуры А-формы ДНК: сахарофосфатный остов; нуклеотиды, содержащие азотистое основание аденин; атомы N7 у всех гуанинов и отдельно у первого гуанина по последовательности. Отдельно эти элементы представлены на рисунках 5-7. Также необходимо было выделить все нуклеотиды, однако ДНК целиком состоит из нуклеотидов. Поэтому изображение всех нуклеотидов A-формы ДНК представлено, например, на рисунке 1.

Рисунок 4. Различными цветами показаны элементы структуры ДНК. Желтым цветом выделен сахарофосфатный остов (backbone), фиолетовым - азотистые основания. Отдельно синим цветом отмечены аденины. Белыми шариками показаны атомы N7 у всех гуанинов. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.

Рисунок 5 (слева). A-форма ДНК, красным цветом выделен сахарофосфатный остов (backbone), белым покрашены азотистые основания. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 6 (по центру). A-форма ДНК, белым цветом выделены нуклеотиды, содержащие аденин.
Рисунок 7 (справа). A-форма ДНК, шариками выделены атомы N7 у всех гуанинов. Атом N7 у первого гуанина по цепи A зеленого цвета, все остальные белого.

Я скачала две PDB-структуры по выданным мне идентификаторам: 1QU2 и 1EFA.
Структура 1QU2 - это комплекс транспортной РНК (тРНК) и изолейцил-тРНК-синтетазы - фермента, который присоединяет изолейцин к соответствующей ему тРНК. Для дальнейшей работы из этого комплекса я взяла только тРНК и сохранила координаты ее атомов в отдельном файле (1QU2_rna.pdb). Данная тРНК представлена на рисунках 8-9.
Структура 1EFA - это ДНК-белковый комплекс. Белок - лактозный репрессор, связывающийся с определенным участком ДНК (оператором) и, таким образом, блокирующий транскрипцию генов лактозного оперона у бактерий. Я сохранила координаты A- и B- цепей ДНК в отдельном файле (1EFA_dna.pdb). Полученный фрагмент двухцепочечной ДНК представлен на рисунках 10-11.
Я проверила обе нуклеиновые кислоты на наличие разрывов. Как видно на рисунках 8-11, разрывов в структурах нет.

Рисунок 8 (сверху). тРНК из PDB-структуры 1QU2. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 9 (снизу). тРНК из PDB-структуры 1QU2. Способ отображения backbone.

Рисунок 10 (слева). A- и B-цепи ДНК из PDB-структуры 1EFA. Цепи покрашены разными цветами. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 11 (справа). A- и B-цепи ДНК из PDB-структуры 1EFA. Способ отображения backbone.

Для нуклеотида A7 (седьмой аденин по цепи А) я определила, какие из его атомов обращены к большой и к малой бороздкам в A- и B-формах ДНК. Для Z-формы не удалось это изучить, так как программа fiber позволяет строить только последовательности, содержащие нуклеотиды G и C.
На рисунках 12 и 13 представлены изображения выбранного нуклеотида в A- и B-формах ДНК соответственно. Я постаралась наглядно показать, какие атомы находятся у большой бороздки, а какие - у малой. Также я изобразила азотистое основание аденин в программе ChemSketch и отметила разными цветами атомы и связи между ними. Синим цветом выделены атомы, обращенные к малой бороздке, красным цветом - обращенные к большой бороздке. Изображения, полученные для A- и B-форм ДНК, представлены на рисунках 14 и 15 соответственно.
Большая бороздка в A-форме ДНК по ширине меньше, чем малая, однако большая бороздка гораздо глубже. Поэтому в А- и В-формах к большой и малой бороздке у аденина обращены одинаковые атомы.

Рисунок 12 (сверху). Нуклеотид А7 в A-форме ДНК. Азотистое основание данного нуклеотида покрашено по атомам (cpk), атомы пронумерованы. Остальные нуклеотиды ДНК темно-красного цвета. Справа малая бороздка, слева большая. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 13 (снизу). Нуклеотид А7 в B-форме ДНК. Большая бороздка справа, малая слева.

Рисунок 14 (слева). Азотистое основание аденин в А-форме ДНК. Атомы и связи между ними выделены разными цветами в зависимости от их принадлежности большой (красный цвет) и малой (синий цвет) бороздкам ДНК. Справа от основания расположена большая бороздка ДНК, слева - малая. Изображение получено с помощью программы ChemSketch.
Рисунок 15 (справа). Азотистое основание аденин в B-форме ДНК.

В таблице 1 представлены основные спиральные параметры для A-, B- и Z-форм ДНК. На рисунках 16-21 показано, как проводились измерения этих параметров (шаг спирали и ширина бороздок).

Таблица 1. Основные спиральные параметры A-, B- и Z-форм ДНК.
	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали (правая или левая)	Правая	Правая	Левая
Шаг спирали (Å)	28,03	33,75	43,5
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки (Å)	7.98 (g10 - g33)*	17.21 (a3 - c35)	18.3 (c6 - c32) или 22.49 (g7 - g31)
Ширина малой бороздки (Å)	16.81 (a3 - a32)	11.69 (t13 - a32)	9.87 (c10 - g35)

* - в скобках указано, между фосфатами каких нуклеотидов измерялась ширина бороздок.

Рисунок 16 (сверху). Измерение шага спирали в A-форме ДНК. Показана А-цепь, белыми шариками отмечены атомы C1' всех нуклеотидов. Расстояние между атомами, расположенными друг над другом, показано пунктирной линией и измерено. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 17 (по центру). Измерение шага спирали в B-форме ДНК.
Рисунок 18 (снизу). Измерение шага спирали в Z-форме ДНК.

Рисунок 19 (сверху). Измерение ширины бороздок в А-форме ДНК. Белыми шариками отмечены атомы Р одной из цепей ДНК, желтыми - другой цепи. Ширина бороздок измерялась как расстояние от атома фосфора одного нуклеотида до некоторого фосфора нуклеотида комплементарной цепи - такого, что расстояние до соседних фосфоров несколько больше. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 20 (по центру). Измерение ширины бороздок в B-форме ДНК.
Рисунок 21 (снизу). Измерение ширины бороздок в Z-форме ДНК.

Я измерила торсионные углы для нуклеотида А7 в А- и В-формах ДНК. Иллюстрации того, как проводились измерения, представлены на рисунках 22 и 23. В таблице 2 содержится информация об измеренных вручную углах, а также значения углов из презентации.

Таблица 2. Торсионные углы, измеренные для нуклеотида A7 в A- и B-формах ДНК.
Форма	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
А-форма (вручную)	-51.7	174.8	41.7	79.1	-147.8	-75.1	-157.2
А-форма	62	173	52	88/3	178	-50	-160
B-форма (вручную)	-29.9	136.3	31.2	143.3	-140.8	-160.5	-98
B-форма	63	171	54	123/131	155	-90	-117

Рисунок 22 (сверху). Измерение торсионнных углов для нуклеотида А7 в А-форме ДНК. На рисунке показан данный нуклеотид и два соседних (G6 и C8), атомы этих нуклеотидов покрашены по cpk. Указаны значения измеренных углов. Изображение получено с помощью программы JMol, способ отображения wireframe.
Рисунок 23 (снизу). Измерение торсионнных углов для нуклеотида А7 в B-форме ДНК.

С помощью пакета 3DNA я измерила параметры трех разных форм ДНК, созданных мной ранее в программе fiber, а также параметры реальных структур из pdb-файлов (тРНК и ДНК).
Для анализа структур использовались программы find_pair и analyze (в командную строку LINUX вводилась команда find_pair -t XXXX.pdb stdout | analyze). Сначала для трех форм ДНК я получила значения торсионных углов (таблица 3) и сравнила с ними торсионные углы в тРНК и в ДНК из ДНК-белкового комплекса. Значения торсионных углов для тРНК и ДНК представлены в таблицах 4 и 5 соответственно.
В A- и B-форме значение торсионных углов для всех нуклеотидов совпадают (иногда встречаются некоторые отклонения, но они не превышают ±0.1°, поэтому их можно считать случайными и незначительными). В Z-форме углы у нуклеотидов G и C сильно отличаются, поэтому в таблице 3 значения торсионных углов для них указаны отдельно.
Средние значения торсионных углов для тРНК и ДНК я считала в программе Excel. Для подсчета я брала только те нуклеотиды, для которых были указаны значения всех семи углов. Также я отдельно посчитала средние значения по каждому нуклеотиду. В тРНК средние значения торсионных углов больше всего похожи на углы, характерные для А-формы, поэтому можно считать, что структура тРНК напоминает именно эту форму ДНК. При этом наиболее отличающимися значения углов оказались у гуанина. Скорее всего, это вызвано тем, что 3 самых "деформированных" нуклеотида - это именно гуанины. В структуре тРНК многие гуанины связаны с ионами магния через свои фосфатные группы и, возможно, это влияет на их торсионные углы.

Для тРНК я также посмотерла, между какими основаниями образуются водородные связи. Это позволяет понять, где в структуре нуклеиновой кислоты образуются шпильки. На рисунке 24 показаны все пары оснований, присутствующие в данной тРНК. Синей рамкой обведены достаточно длинные комплементарные участки - стебли (stems). Между ними находятся пары, на которых происходит поворот или смена цепи.

Рисунок 24. Пары азотистых оснований, образующиеся в структуре тРНК из 1QU2. Синей рамкой обведены нуклеотиды, образующие стебли тРНК. Данные получены с помощью программы analyze из пакета 3DNA.

Можно заметить, что в тРНК образуется много неканонических пар оснований. На рисунке 25 эти пары обведены красным.

Рисунок 25. Неканонические пары азотистых оснований, образующиеся в структуре тРНК из 1QU2, обведены красной рамкой. Данные получены с помощью программы analyze из пакета 3DNA.

Также для тРНК из PDB-структуры 1QU2 я изучила возможные стекинг-взаимодействия. Для этого я нашла в файле с расширением .out (файл получен с помощью программы analyze) информацию о площади перекрывания соседних пар оснований. Данная информация представлена на рисунке 26. Красным цветом обведены пары оснований с наибольшей площадью перекрывания, синим - с наименьшей. Можно заметить, что есть некоторые пары, которые вообще не перекрываются. Скорее всего, это связано с тем, что в этом месте происходит смена цепи, поэтому две последовательные пары оказываются в разных местах структуры тРНК и не могут перекрываться.

Рисунок 26. Данные о площади перекрывания двух последовательных пар азотистых оснований для тРНК из PDB-структуры 1QU2. Синим показаны пары, выбранные мной как пример плохого стекинг-взаимодействия (площади перекрывания наименьшие), красным - пары с наибольшей площадью перекрывания. Данные получены с помощью программы analyze из пакета 3DNA.

Для указанных пар я получила стандартные изображения стекинг-взаимодействий. На рисунках 27 и 28 представлены пары с наибольшей и наименьшей площадью перекрывания соответственно.

Рисунок 27. Стандартные изображения стекинг-взаимодействий для двух последовательных пар оснований с наибольшей площадью перекрывания. Слева изображено перекрывание нуклеотидов C4/G3 и G69/C70 (пары 3 и 4), справа - перекрывание G18/A58 и U55/U54 (пары 13 и 14). Изображения получены с помощью программы stack2img.

Рисунок 28. Стандартные изображения стекинг-взаимодействий для двух последовательных пар оснований с наименьшей площадью перекрывания. Сверху изображено перекрывание нуклеотидов G2/G1 и C71/C72 (пары 1 и 2), снизу - перекрывание G10/A44 и C25/G26 (пары 22 и 23). Изображения получены с помощью программы stack2img.

© Наталия Кашко, 2015