Практикум 3. A- и В-формы ДНК. Структура РНК

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

Для выполнения этого задания была использована программа fiber пакета 3DNA. Были построены три модели дуплекса ДНК с одинаковой последовательностью, но в разных конформациях: A-, B- и Z-формах.

Изначально планировалось построить модели для последовательности GATC, повторенной 5 раз. Однако программа fiber пакета 3DNA имеет встроенное ограничение: Z-форма ДНК моделируется строго для чередующегося пурин-пиримидинового остова — повтора poly d(GC). Любая другая последовательность для Z-конформации программой игнорируется. Поэтому было принято решение изменить исходную последовательность во всех трех моделях (A, B и Z) на единый повтор GC, дублированный 10 раз.

Пример команды, выполненной в терминале:

fiber -a -seq=gc -rep=10 gc-a.pdb

Полученные структуры в формате PDB:

A-форма ДНК (.pdb) B-форма ДНК (.pdb) Z-форма ДНК (.pdb)

Задание 2. Сравнение модельной и экспериментальной B-ДНК

Для сравнения была выбрана B-форма ДНК. Модельная структура gc-b.pdb была сопоставлена с экспериментальной структурой 1BNA в программе PyMOL.

Модель B-ДНК
Рис. 1. Сгенерированная модель B-ДНК
Структура 1BNA
Рис. 2. Экспериментальная структура B-ДНК (1BNA)
Пояснение к окрашиванию моделей (Рис. 1 и Рис. 2):
Чтобы наглядно определить малую и большую бороздки, молекулы были переведены в объемную модель шаров (spheres). Ярко-жёлтым цветом окрашен сахарофосфатный остов ДНК. Сами азотистые основания целиком окрашены в фиолетовый (magenta) цвет. Бороздки представляют собой спиральные пустоты между жёлтыми фосфатными нитями, на дне которых обнажаются фиолетовые основания. В канонической B-форме чётко выделяется большая бороздка (широкий и глубокий проём) и малая бороздка (узкая спиральная щель).

Команды в PyMOL, выполненные для анализа:

bg_color white
load gc-b.pdb
fetch 1bna, type=pdb1
show spheres
color magenta, all
select bbone, name P+O1P+O2P+O5'+C5'+C4'+O4'+C3'+O3'+C2'+C1'
color yellow, bbone
select sele, 1bna and chain A and resi 6
color red, sele and (name N6+N7+C8+C5+C6)
color blue, sele and (name N1+C2+N3+C4)
label sele, name
hide everything, all
show sticks, sele
label sele, name

В структуре 1BNA было выбрано основание Аденин (DA 6, цепь A):

Аденин в составе В-ДНК
Рис. 3. Аденин в составе В-ДНК
Обозначение атомов аденина
Рис. 4. Выбранный аденин с обозначением атомов основания

Подсчет параметров форм ДНК (шаг спирали, ширина бороздок) производился с помощью команды analyze пакета 3DNA:

Параметр А-форма В-форма Z-форма
Тип спирали правая правая левая
Шаг спирали 2.55 × 11 = 28.05 Å 3.38 × 10 = 33.80 Å 1.77 × 12 = 21.24 Å
Число оснований на виток 11 10 12
Ширина большой бороздки* 11.1 Å 17.2 Å 17.45 Å
Ширина малой бороздки* 16.7 Å 11.7 Å 9.8 Å

* Примечание: значения ширины бороздок приведены в формате Refined (с вычетом Ван-дер-Ваальсовых радиусов фосфатных групп).

Задание 3. Анализ структуры тРНК (1EHZ)

Для детального исследования структуры использовались программы find_pair и analyze из пакета 3DNA.

Упражнение 1. Торсионные углы

Торсионные углы в нуклеиновых кислотах — это углы поворота вокруг связей в сахарофосфатном остове и вокруг N-гликозидной связи, соединяющей азотистое основание с сахаром. Они однозначно задают конформацию полинуклеотидной цепи (например, угол δ отвечает за конформацию сахарного кольца: в А-ДНК он около 80°, а в B-ДНК — 120–130°).

Регулярные участки цепи (стебли) имеют геометрию, характерную для А-формы. Это подтверждается средними значениями углов регулярных областей (например, для нуклеотидов 2–6): δ ≈ 83°, α ≈ -70°, β ≈ 170°. Однако выраженные отклонения наблюдаются у нуклеотидов в петлях (например, 7 U, 23 g, 27 A), что связано с резкими перегибами остова при упаковке молекулы в третичную структуру.

Упражнение 2. Водородные связи

remediator --old 1EHZ.pdb > 1ehz_old.pdb
find_pair 1ehz_old.pdb trna.fp
analyze trna.fp
Скачать файл отчёта 1ehz_old.out

Общий результат: в структуре 1EHZ программа 3DNA определила 30 пар оснований. Из них 10 пар имеют неканоническую (non-Watson-Crick) геометрию. Молекула тРНК обозначена цепью A.

Стебли тРНК

Стебель Координаты в цепи A Пары оснований
Акцепторный A:1–7 и A:66–72 G1–C72, C2–G71, G3–C70, G4–U69*, A5–U68, U6–A67, U7–A66
D-стебель A:10–13 и A:58–63 G10–C63, U11–A62, G12–C61, t13–a58
Антикодоновый A:20–24 и A:24–28 G20–C28, G21–C27, A22–g26*, g23–C25*, C24–G24
Т-стебель A:26–30 и A:48–56 C26–G52, A27–U8*, G28–C48, u29–U59*, G30–C56

* Звёздочкой отмечены пары с неканонической геометрией. Всего в четырёх стеблях находится 21 пара оснований (7 + 4 + 5 + 5 = 21).

Структура водородных связей

Канонические пары в стеблях удерживаются стандартным набором водородных связей:

Неканонические пары и третичные контакты вне стеблей

Вне регулярных спиралей обнаружено 9 пар оснований, стабилизирующих L-образную конформацию молекулы:

№ пары Нуклеотиды Водородные контакты (атомы и расстояния)
8 5MC49 — G65 O2 — N2 (2.92 Å); N3 — N1 (3.04 Å); N4 — O6 (3.01 Å) (канонический состав, изменённый сахар)
9 U50 — A64 N3 — N1 (2.79 Å); O4 — N6 (2.81 Å)
14 PSU55 — G18 O4 * — N1 (2.78 Å); O4' * — O6 (3.61 Å) (2 деформированные связи)
15 A15 — U48 OP2 * — N3 (2.80 Å) (связь с участием остова)
16 A38 — C32 N6 — O2 (3.01 Å) (стабилизация антикодоновой петли)
17 PSU39 — A31 O2 * — N1 (3.18 Å)
18 5MC40 — G30 O2 — N2 (2.69 Å); N3 — N1 (3.05 Å); N4 — O6 (3.36 Å)
19 U41 — A29 N3 — N1 (2.87 Å); O4 — N6 (3.06 Å)
29 H2U16 — U59 O2' — O4 (2.89 Å); O2 — N3 (2.61 Å); N3 — O2 (2.80 Å) (контакт D- и T-петель)
Дальние контакты третичной структуры: Ключевыми для стабилизации 3D-архитектуры тРНК 1EHZ являются пары PSU55 — G18 (фиксирует изгиб цепи) и H2U16 — U59, скрепляющие удалённые D- и T-петли между собой. Именно они превращают плоский «клеверный лист» в функциональную L-образную конформацию.

Упражнение 3. Стекинг-взаимодействия и площади перекрывания

На основе анализа раздела Overlap area отчёта были определены ключевые шаги пар оснований:

← Предыдущий практикум Следующий практикум →