Богданова Агата

Третий семестр

Практикум 3. Сравнительный анализ канонической ДНК и стеблей тРНК

В работе использовались программы пакета 3DNA, Bash и PyMOL.

Задание 1. Построение A-, B- и Z-форм ДНК

С помощью программы fiber пакета 3DNA были построены три модели дуплекса ДНК с одинаковой последовательностью, но в разных конформациях: A-, B- и Z-формах. Полученные структуры сохранены в формате PDB.

A-ДНК образует правую спираль и имеет более компактную геометрию по сравнению с B-формой.

B-ДНК также является правой спиралью и соответствует наиболее привычной канонической форме двойной спирали.

Z-ДНК отличается левым направлением закручивания и характерным зигзагообразным ходом сахарофосфатного остова.

Задание 2. Сравнение модельной и экспериментальной B-ДНК

1. Сравнение структур

Для сравнения была выбрана B-форма ДНК. Модельная структура gatc-b.pdb была сопоставлена с экспериментальной структурой 1BNA.

Сгенерированная модель B-ДНК
Рисунок 1. Сгенерированная модель B-ДНК.
Экспериментальная структура B-ДНК 1BNA
Рисунок 2. Экспериментальная структура B-ДНК 1BNA.

Обе структуры имеют общий план строения B-ДНК: две антипараллельные цепи образуют правую двойную спираль, азотистые основания располагаются внутри, а сахарофосфатный остов проходит снаружи. В обеих структурах различимы большая и малая бороздки.

Сгенерированная структура более регулярная и близка к идеализированной геометрии B-ДНК. Экспериментальная структура 1BNA выглядит менее строго симметричной: заметны небольшие локальные отклонения положения нуклеотидов и изгибы остова. Такие различия ожидаемы, поскольку модель строится по идеальным параметрам, а 1BNA получена из реального экспериментального объекта.

2. Большая и малая бороздки экспериментальной ДНК

Далее анализировалась только экспериментальная структура 1BNA. В ней визуально были определены большая и малая бороздки.

Экспериментальная ДНК с выделенным участком
Рисунок 3. Экспериментальная B-ДНК 1BNA.

3. Атомы цитозина, обращённые к бороздкам

Для анализа был выбран цитозин DC A9. Комплементарным ему основанием является гуанин DG B16. Атомы цитозина, расположенные со стороны большой бороздки, окрашены красным, со стороны малой бороздки — синим.

Цитозин A9 в структуре ДНК с окрашенными атомами
Рисунок 4. Цитозин A9 в составе экспериментальной B-ДНК.
Изолированный цитозин A9 с окрашенными атомами
Рисунок 5. Выбранный цитозин A9 с обозначением атомов основания.

В сторону большой бороздки обращены атомы: C9.C4, C9.N4, C9.C5, C9.C6.

В сторону малой бороздки обращены атомы: C9.N1, C9.C2, C9.O2, C9.N3.

Наиболее наглядные ориентиры — атом N4 со стороны большой бороздки и атом O2 со стороны малой бороздки. Атомы N1 и N3 находятся ближе к границе соответствующего края основания. N3 расположен на Watson–Crick-крае основания и участвует в образовании пары G·C, а N1 находится вблизи места присоединения основания к дезоксирибозе. Поэтому N1 и N3 можно рассматривать как пограничные атомы.

4. Сравнение геометрических характеристик A-, B- и Z-ДНК

Шаг спирали и ширина бороздок оценивались в PyMOL по расстояниям между выбранными атомами фосфора P. Для шага спирали брались атомы одной цепи, разделённые числом нуклеотидов, соответствующим одному полному витку.

Характеристика A-форма B-форма Z-форма
Тип спирали правая правая левая
Шаг спирали, Å ≈ 28.0 ≈ 33.8 ≈ 43.5
Число оснований на виток 11 10 12
Ширина большой бороздки, Å ≈ 16.8
P: A13 — B30
≈ 17.2
P: A12 — B26
≈ 18.3*
P: A6 — B32
Ширина малой бороздки, Å ≈ 8.0
P: A3 — B32
≈ 11.7
P: A10 — B35
≈ 9.9
P: A13 — B32

* У Z-ДНК большая бороздка выражена значительно слабее, чем у A- и B-ДНК.

Полученные значения показывают, что три формы ДНК различаются не только направлением закручивания, но и шагом спирали, числом оснований на виток и геометрией бороздок. B-ДНК занимает промежуточное положение по шагу спирали между более компактной A-формой и более растянутой Z-формой.

Задание 3. Упражнение 2

Для анализа структуры тРНК 1QRT использовались программы find_pair и analyze пакета 3DNA. Сначала структура была переведена в старый формат PDB, после чего был проведён поиск пар оснований и их водородных связей.

remediator --old "1QRT.pdb" > "1QRT_old.pdb"
find_pair -t 1QRT_old.pdb 1QRT.fp
1QRT.fp analyze

Для описания результатов использован файл 1QRT_old.out.

Общий результат. В структуре 1QRT программа 3DNA определила 29 пар оснований. Из них 9 пар имеют неканоническую, non-Watson-Crick, геометрию.

тРНК в анализируемом PDB-файле обозначена цепью B, поэтому номера нуклеотидов ниже приведены для цепи B.

Стебли тРНК

По результатам find_pair можно выделить четыре участка спаренных оснований, соответствующих стеблям тРНК.

Стебель Координаты в цепи B Пары оснований
Акцепторный B:2–7 и B:66–71 G2–C71, G3–C70, G4–C69, G5–C68, U6–A67, A7–U66
T-стебель B:49–53 и B:61–65 C49–G65, G50–C64, A51–U63, G52–C62, G53–C61
Антикодоновый B:37–44 и B:26–33 A37–U33*, U38–U32*, U39–A31, C40–G30, C41–G29, G42–C28, G43–C27, C44–A26*
D-стебель B:10–12 и B:23–25 G10–C25, C11–G24, C12–G23

Звёздочкой здесь отмечены пары с неканонической геометрией. Всего в четырёх указанных участках находится 22 пары оснований: 6 + 5 + 8 + 3 = 22.

Структура водородных связей

В файле 1QRT_old.out в разделе Detailed H-bond information, для каждой пары указаны взаимодействующие атомы и расстояния между ними.

Например, в обычной паре G2–C71 обнаружены три контакта: G(O6)–C(N4) = 2.68 Å, G(N1)–C(N3) = 2.87 Å и G(N2)–C(O2) = 2.91 Å.

В паре U6–A67 обнаружены два контакта: U(N3)–A(N1) = 2.67 Å и U(O4)–A(N6) = 2.95 Å.

Неканонические пары

Структура содержит 9 non-Watson-Crick пар. В выводе программы такие пары отмечены символами **.

№ в 1QRT_old.out Пара Водородные контакты
12 U54–A58 O2–N6 = 2.63 Å; N3–N7 = 3.01 Å
13 U55–G18 O2–N2 = 2.65 Å
14 A37–U33 N6–O2 = 3.54 Å
15 U38–U32 O4–N3 = 3.14 Å
21 C44–A26 O2···N1 = 3.48 Å; N3–N6 = 3.29 Å
25 A13–A45 N6–N1 = 3.16 Å; N1–N6 = 3.01 Å
26 A14–A21 N6–N3 = 3.10 Å; N1–O2′ = 3.02 Å
27 G15–C48 N1–O2 = 2.80 Å; N2–N3 = 2.67 Å
29 U46–U47 O3′···N1 = 3.46 Å; O2′–N3 = 2.84 Å; O2···O4 = 3.40 Å

Неканоническая пара не обязательно состоит из некомплементарных оснований. Например, U54–A58, A37–U33 и G15–C48 имеют обычный комплементарный состав U–A, A–U или G–C, но расположение оснований и система контактов отличаются от классической Watson–Crick-геометрии.

Дополнительные пары вне стеблей

После исключения четырёх стеблей остаётся 7 пар оснований, которые не входят туда.

№ Пара Контакты
12 U54–A58 O2–N6 = 2.63 Å; N3–N7 = 3.01 Å
13 U55–G18 O2–N2 = 2.65 Å
25 A13–A45 N6–N1 = 3.16 Å; N1–N6 = 3.01 Å
26 A14–A21 N6–N3 = 3.10 Å; N1–O2′ = 3.02 Å
27 G15–C48 N1–O2 = 2.80 Å; N2–N3 = 2.67 Å
28 G19–C56 O6–N4 = 2.61 Å; N1–N3 = 2.55 Å; N2–O2 = 2.46 Å
29 U46–U47 O3′···N1 = 3.46 Å; O2′–N3 = 2.84 Å; O2···O4 = 3.40 Å

Наиболее очевидными дальними контактами, то есть контактами между удалёнными участками последовательности, являются: U55–G18, A13–A45, G15–C48 и G19–C56. Именно их можно особенно выделить как контакты, участвующие в стабилизации третичной укладки тРНК.

Оставшиеся пары U54–A58, A14–A21 и U46–U47 тоже находятся вне стеблей и образуют дополнительные водородные контакты, но являются более локальными.

К комплементарным парам вне стеблей относятся U54–A58, G15–C48 и G19–C56. При этом U54–A58 и G15–C48 имеют неканоническую геометрию, а G19–C56 является обычной Watson–Crick-парой.

Задание 3. Упражнение 1

С помощью пакета 3DNA были определены торсионные углы нуклеотидов структуры тРНК 1QRT и проведено сравнение полученной структуры с A-, B- и Z-формами ДНК.

Торсионные углы

В файле приведены семь торсионных углов: α, β, γ, δ, ε, ζ и χ. Первые шесть описывают конформацию сахарофосфатного остова, а χ показывает положение азотистого основания относительно сахара.

Угол Атомы, которыми он задаётся
α O3′(i−1)–P–O5′–C5′
β P–O5′–C5′–C4′
γ O5′–C5′–C4′–C3′
δ C5′–C4′–C3′–O3′
ε C4′–C3′–O3′–P(i+1)
ζ C3′–O3′–P(i+1)–O5′(i+1)
χ O4′–C1′–N1–C2 для пиримидинов и O4′–C1′–N9–C4 для пуринов

Анализ значений торсионных углов

Значения углов в структуре неодинаковы, поскольку тРНК содержит не только регулярные стебли, но также петли и участки изгиба. Тем не менее для большинства исследованных нуклеотидов наблюдается хорошо выраженный общий тип конформации.

Угол Наиболее характерные значения в 1QRT
α примерно −100...−30°
β около ±180°
γ примерно 30...70°
δ примерно 70...100°
ε примерно −180...−110°
ζ примерно −100...−40°
χ в основном −180...−130°

Особенно показателен угол δ. У 55 из 58 рассмотренных нуклеотидов он находится в пределах 70-100°. Такое значение связано с C3′-endo-конформацией сахара и характерно для A-типа спирали.

Конформация рибозы

Также в разделе Sugar conformational parameters. Для каждого нуклеотида программа 3DNA указывает тип puckering рибозы.

Конформация сахара Число нуклеотидов Доля
C3′-endo 48 82,8 %
O4′-endo 3 5,2 %
C2′-exo 3 5,2 %
C4′-exo 4 6,9 %

Таким образом, 48 из 58 рибоз (82,8 %) находятся в конформации C3′-endo. При этом C2′-endo, характерная прежде всего для B-формы ДНК, среди этих нуклеотидов вообще не была обнаружена.

Классификация динуклеотидных шагов

В разделе Classification of each dinucleotide step in a right-handed nucleic acid structure программа непосредственно сравнивает геометрию динуклеотидных шагов с A-, B- и TA-подобными формами.

A-подобными программа определила шаги: 1–10, 16–19, 22 и 23 .

Всего обозначение Form = A получили 16 из 28 приведённых в таблице шагов.

Шаги 11, 12, 14, 15, 20, 21 и 24–26 не получили буквенного обозначения формы, а для шагов 13, 27 и 28 параметры не были рассчитаны полностью( так как тРНК имеет петли, изгибы и третичные контакты, поэтому не вся её структура представляет собой регулярную двойную спираль. Для определения формы наиболее важны регулярные стеблевые участки).

При этом в таблице нет ни одного шага, обозначенного B или TA.

Вывод. По результатам анализа 3DNA стебли тРНК 1QRT больше всего похожи на A-форму ДНК. Так как большинство регулярных динуклеотидных шагов, которым 3DNA смогла присвоить каноническую форму, классифицированы как A-подобные; 82,8 % рибоз имеют C3′-endo-конформацию; угол δ почти у всех нуклеотидов находится около 80–90°.

B-форма подходит хуже, поскольку для неё более характерна C2′-endo-конформация сахара и большие значения δ. Z-форма также не соответствует полученным данным: для неё характерна левозакрученная спираль и чередование syn- и anti-конформаций оснований.

← Назад к третьему семестру