Практикум 2: A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Задание 1

С помощью программы fiber пакета 3DNA были построены A-, B- и Z-формы дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc".

Использовались следующие команды:

• fiber -a -seq=AGCT -rep=5 gatc-a.pdb
• fiber -b -seq=AGCT -rep=5 gatc-b.pdb
• fiber -z -seq=AGCT -rep=5 gatc-z.pdb

Были получены следующие структуры: A-форма, B-форма, Z-форма.

Задание 2

Для сравнения сгенерированной и экспериментальной структур была выбрана B-форма ДНК. В качестве экспериментальной структуры использован файл 1bna.pdb (B-ДНК додекамер). Сравнение сгенерированной структуры (gatc-b.pdb) и экспериментальной представлено на рис. 2.

Для определения ориентации атомов азотистого основания относительно бороздок был выбран тимин с номером 7 (DT7) в экспериментальной структуре. С помощью визуализации в PyMol установлено, какие атомы этого основания обращены в сторону большой и малой бороздок. На рис.3 красным цветом выделены атомы, направленные в большую бороздку, синим – в малую.

• В сторону большой бороздки обращены атомы: 7.N3, 7.C2, 7.O2, 7.N1.
• В сторону малой бороздки обращены атомы: 7.O4, 7.C4, 7.C5, 7.C6, 7.C7.

Примечание: В таблице указаны фосфаты, использованные для измерения ширины бороздок (например, /A/DA2/P` означает фосфат второго нуклеотида цепи A).

Задание 3

Для выполнения задания была проанализирована структура тРНК с идентификатором PDB 1i9v (тРНК Phe). Все расчёты проводились с помощью пакета 3DNA: предварительная конвертация файла в старый формат PDB (remediator), построение списка пар оснований (find_pair) и анализ геометрических параметров (analyze).

Выполненные команды:

• wget https://files.rcsb.org/download/1i9v.pdb
• remediator --old 1i9v.pdb > 1i9v_old.pdb
• find_pair 1i9v_old.pdb stdout | analyze

В результате работы были созданы файлы 1i9v_old.out и 1i9v_old.inp, содержащие всю необходимую информацию для дальнейшего анализа.

Упражнение 1: Торсионные углы нуклеотидов

В выходном файле 1i9v_old.out были определены значения торсионных углов для всех нуклеотидов структуры. На рис. 5 и 6 представлены торсионные углы для нуклеотидов, входящих в состав стеблей (акцепторного и Т-стебля). Значения угла δ (определяющего конформацию сахара) для большинства нуклеотидов стеблей находятся в диапазоне 80–95°, что соответствует C3′-эндо конформации. Такая конформация характерна для А-формы нуклеиновых кислот.

Для сравнения на рис. 7 и 8 приведены торсионные углы для модельной А-формы ДНК, полученной в задании 1. Видно, что распределение углов (особенно δ) в стеблях тРНК близко к А-форме. Таким образом, тяжи тРНК 1i9v по конформационным параметрам больше всего похожи на А-форму ДНК.

Упражнение 2: Водородные связи, стебли и неканонические пары

На основе анализа файла 1i9v_old.out были определены все пары оснований, стабилизированные водородными связями. На рис. 9 показаны нуклеотиды, образующие стебли (регулярные двойные спирали) во вторичной структуре тРНК.

Стебли тРНК 1i9v (номера нуклеотидов соответствуют PDB-нумерации):

• Акцепторный стебель: 1–7 и комплементарные им 66–72.
• Т-стебель: 49–52 и комплементарные 62–65.
• D-стебель: 10–13 и комплементарные 22–25.
• Антикодоновый стебель: 40–43 и комплементарные 27–30.

Неканонические пары оснований

В структуре обнаружено 7 неканонических пар (не принадлежащих к стандартным парам Уотсона–Крика). Их перечень, согласно данным 3DNA, приведён ниже. Некоторые из этих пар участвуют в формировании третичной структуры.

• G4 – U69
• T – A58 (модифицированный тидин)
• A38 – C32
• A44 – G26
• A14 – U8
• G15 – C48

Дополнительные водородные связи, стабилизирующие третичную структуру

Пара G15–C48 не входит ни в один из стеблей и представляет собой типичное третичное взаимодействие (tertiary interaction), соединяющее D-петлю и вариабельную петлю. Её наличие подтверждено в списке пар оснований с указанием длин водородных связей.