A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Моделирование A-, B- и Z-формы дуплекса ДНК с помощью пакета 3DNA

Запускаем программу Рutty и, используя протокол ssh, подключаемся к серверу kodomo.cmm.msu.ru.

Используем свой логин и пароль.

С помощью команды cd term3/block1/pr2 переходим в рабочую директорию.

Введем следующие команды, что бы указать путь к 3DNA:

export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/X3DNA/bin
export X3DNA=/home/preps/golovin/progs/X3DNA

C помощью программы fiber пакета 3DNA построим A-, B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc". Структуры сохраним в файлах gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb, соответственно, с помощью следующих команд:

fiber -a gatc-a.pdb
fiber -b gatc-b.pdb
fiber -z gatc-z.pdb

Средства JMol для работы со структурами нуклеиновых кислот

Используйя файл А-формы, полученный с помощью программы fiber пакета 3DNA, средствами JMol выделены разные атомы и химические группировки:

С помощью команд wireframe 50, restrict backone, cartoons off, color magenta выделен сахарофосфатный остов ДНК (рис.1)
Используя различные цвета и команду wireframe 50 выделены все нуклеотиды (рис.2)
Выделены только аденины, также при помощи цвета (рис.3)
C помощью команд select g and *.N7, spacefill 300, label %n%r и цвета был выделен атом N7 во всех гуанинаx (рис.4)


Рисунок 1. Сахарофосфатный остов A-формы ДНК.	Рисунок 2. Нуклеотиды A-формы ДНК (аденин - красный; гуанин - желтый; тимин - белый; цитозин - зеленый).


Рисунок 3. Аденины A-формы ДНК. Окрашены в розовый.	Рисунок 4. Атомы N7 в гуанинаx A-формы ДНК. Сами гуанины окрашены в голубой, нужные атомы представлены в виде шариков и выделены розовым, их номера также подписаны.

Исследование структур 1f7v и 1rio с помощью Jmol

При помощи идентификаторов PDB были найдены соответствующие структуры на сайте PDB. Для работы был выбран биологический вариант структур. Далее заданные структуры ДНК и РНК были проверены на наличие разрывов, их не выявлено. Результаты работы предствлены на Рис.5,6.


Рисунок 5. Молекула тРНК	Рисунок 6. Молекула ДНК
Изображения нуклеиновых кислот представлены в проволочной модели и окрашены в стандартные цвета с помощтью команды color cpk.

Координаты атомов только тРНК и ДНК в отдельных файлах для дальнейшей работы.

Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol

В Jmol были открыты файлы, полученные с помощью программы fiber пакета 3DNA для рассмотрения структуры и визуального определения большо и малой бороздок. Затем для определения, какие атомы основания обращены в сторону большой бороздки, а какие - в сторону малой, был выбран цитозин 28 (Рис.7-15 и Таблица 1).

Таблица 1. Номера атомов цитозина 28, обращенных в сторону большой и малой бороздок.

	A-форма ДНК	B-форма ДНК	Z-форма ДНК
Номера атомов цитозина, обращененных в сторону большой бороздки	c28.c4, c28.c5, c28.n4	c28.c4, c28.c5, c28.n4	c28.c4, c28.c5, c28.c6, c28.n3, c28.n4
Номера атомов цитозина, обращененных в сторону малой бороздки	c28.c2, c28.n1, c28.o2	c28.c2, c28.n1, c28.o2	c28.c2, c28.n1, c28.o2
Остальные атомы цитозина	c28.n3, c28.c6	c28.n3, c28.c6	-


Рисунок 7, 8. Цитозин 28. Целый остов А-формы ДНК и фрагмент структуры.		Рисунок 9. Модель цитозина 28, полученное с помощью ChemSketch для А-формы ДНК. Атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, выделены красным цветом, в сторону малой - синим.


Рисунок 10, 11. Цитозин 28. Целый остов B-формы ДНК и фрагмент структуры.		Рисунок 12. Модель цитозина 28, полученное с помощью ChemSketch для B-формы ДНК. Атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, выделены красным цветом, в сторону малой - синим.


Рисунок 13, 14. Цитозин 28. Целый остов Z-формы ДНК и фрагмент структуры.		Рисунок 15. Модель цитозина 28, полученное с помощью ChemSketch для Z-формы ДНК. Атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, выделены красным цветом, в сторону малой - синим.

Оригинальный файл ChemSketch можно скачать здесь.

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК

Результаты изучения структур разных форм ДНК с помощью Jmol (Рис. 16-18) внесены в Таблицу 2.

Таблица 2. Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК.

	A-форма	B-форма	*Z-форма
Тип спирали (правая или левая)	Правая	Правая	Левая
Шаг спирали (Å)	28.03	33.75	43.50
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки (Å)	16.81 (от гуанина)	17.21 (от гуанина)	18.30 (от цитозина)
Ширина малой бороздки (Å)	7.98 (от цитозина)	11.69 (от аденина)	9.87 (от гуанина)


Рисунок 16. Большая и малая борозды А-ДНК, измеренные в Å с помощью Jmol.	Рисунок 17. Большая и малая борозды B-ДНК, измеренные в Å с помощью Jmol.	Рисунок 18. Большая и малая борозды Z-ДНК, измеренные в Å с помощью Jmol.

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм

С помощью команды Settings->Torsion программы JMol были измерены торсионные углы цитозина. Далее было проведено сравнение значения углов в А- и В-форме с приведенными в презентации.

Таблица 3. Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм ДНК (углы измерены в градусах).

	α (P-O5')	β (O5'-C5')	γ (C5'-C4')	δ (C4'-C3')	ε (C3'-O3')	ξ (O3'-P	χ (C1'-N)
A-ДНК	-51.70	174.80	41.67	79,11	-147.78	-75,15	-157,18
В-ДНК	-29.89	136.38	31.17	143.34	-140,77	-160.52	-97.96
Значения торсионных углов из презентации
A-ДНК	-62	173	52	88 или 3	178	-50	-160
В-ДНК	-63	171	54	123 или 131	155	-90	-117

Значения торсионных углов довольно сильно отличаются от приведенных в презентации.

Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA

Так как пакет 3DNA работает только со старым форматом PDB, то для перевода файлов gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb в старый формат была использована программа remediator, установленная на kodomo. Для этого была введена команда:

remediator --old ''XXXX.pdb'' > ''XXXX_old.pdb

Для анализа структур нуклеиновых кислот были использованы программы find_pair и analyze. Например, программа find_pair определяет спаренные основания и положения спиралей в структуре, для этого надо ввести команду:

find_pair -t XXXX.pdb XXXX.fp

Полученные данные необходимы для работы analyze, следовательно, необходимо перенаправить результат работы find_pair на вход программе analyze:

find_pair -t XXXX.pdb stdout | analyze

В результате был создан ряд файлов с описанием разных параметров структуры, в файле XXXX.out можно найти описание водородных связей, значения всех торсионных углов, ширину малой и большой бороздки и т.д.
При сравнении значенияй соответствующих торсионных углов в структурах A-, B- и Z-форм ДНК, очевидно, что больше всего отличаются значения следующих углов: у A- и B-форм - δ и χ; у A- и Z-форм - α; у B- и Z-форм - α, ξ и χ.
Значения торсионных углов и средние значения каждого из них в структуре 1F7V приведены в файле. Cтруктура 1F7V больше всего похожа на A-форму ДНК, исходя из значений торсионных углов.
В заданной структуре ДНК были определены, с помощью программы Excel, средние значения каждого из торсионных углов (краевые нуклеотиды не рассмотрены), результат можно посмотреть здесь. Cамыми "деформированными" нуклеотидами (с наиболее отклоняющимся значением какого-либо или нескольких торсионных углов) являются t6:t и a22:u, образующие комплементарную пару в ДНК.

Исследование структуры тРНК

Определение структуры водородных связей

Акцепторный стебель состоит из участка 901-907 и комплементарного ему участка 966-972.

Т-стебель состоит из участка 949-953 и комплементарного ему участка 961-965.

D-стебель из участка 910-913 и комплементарного ему участка 922-925.

Антикодоновый стебель из участка 939-944 и комплементарного ему участка 926-931.

9 неканонических пар оснований присутствуют в структуре тРНК, они поддерживают структуру стеблевых дуплексов. Ее также поддерживают 13 пар канонических оснований.

Например, неканоническая пара - B:.913_:[..C]C-*--xC[..C]:.922_:B

Поиск возможных стекинг-взаимодействий

В файле 1f7v_old.out были найдены данные о наибольшей площади перекрывания 2-х пар азотистых оснований, следовательно, возможны следующие стекинг-взаимодействия:

    step      i1-i2        i1-j2        j1-i2        j1-j2        sum
   7 Gc/GC  5.97( 1.41)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  7.08( 4.30) 13.05( 5.71)
  12 Gu/aC  7.08( 1.99)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  4.95( 1.78) 12.03( 3.77)
  13 uP/Ga  5.41( 1.91)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  7.84( 2.58) 13.25( 4.49)

Далее с помощью следующих команд (где x=7, 12, 13):

ex_str -x stacking.pdb stepx.pdb
stack2img -cdolt stepx.pdb stepx.ps

и программы Ghost_View можно получить изображение нескольких наиболее сильных стекинг-взаимодействий (Рис.19-21).


Рисунок 19. Наиболее сильное стекинг-взаимодействие. Секция 7.	Рисунок 20. Наиболее сильное стекинг-взаимодействие. Секция 12.	Рисунок 21. Наиболее сильное стекинг-взаимодействие. Секция 13.