Практикум 4. Комплексы ДНК-белок

Задание 1. Предсказание вторичной структуры заданной тРНК

Требуется предсказать вторичную структуру тРНК и сравнить её с реальной. Структура предсказывается двумя способами:

• Первый способ: предсказание вторичной структуры тРНК путем поиска инвертированных повторов программой einverted из пакета EMBOSS.
• Второй способ: предсказание вторичной структуры тРНК по алгоритму Зукера с помощью ViennaRNA. Этот алгоритм считает свободную энергию Гиббса для всех вариантов вторичной структуры тРНК и выдает тот, который оказывается с наименьшей энергией (наиболее вероятный).

Упражнение 1. Программа einverted

Последовательность тРНК 1EHZ была скачана с сайта PDB напрямую в формате fasta. В терминале была выполнена команда:

einverted -sequence 1EHZ.fasta -gap 12 -threshold 10 -match 3 -mismatch -3 -outfile outfile -outseq seqout

1. В файле outfile появился текстовый отчёт о найденных инвертированных повторах (стеблях).
2. В файле seqout записались сами последовательности найденных шпилек.

Как видно из выдачи, программа нашла всего два зеркальных участка, которые напоминают T-стебель тРНК. При различных изменениях параметров (уменьшение штрафа за гэпы, снижение порога и т.д.) картина принципиально не менялась, поэтому было принято решение остановиться на первом варианте параметров программы с более чистым результатом.

Упражнение 2. ViennaRNA

Ниже представлен скриншот выполнения программы RNAfold из пакета ViennaRNA для последовательности тРНК 1EHZ:

Результаты предсказания структуры программой RNAfold:

• Спаривание нуклеотидов в позициях 3–7 с нуклеотидами 34–38;
• Спаривание нуклеотидов в позициях 11–15 с нуклеотидами 29–33;
• Спаривание нуклеотидов в позициях 19–20 с нуклеотидами 27–28;
• Спаривание нуклеотидов в позициях 39–43 с нуклеотидами 62–66;
• Спаривание нуклеотидов в позициях 46–49 с нуклеотидами 57–60.

Реальная и предсказанная вторичная структура тРНК (1EHZ)

Участок структуры	Позиции в структуре (find_pair)	Предсказание (einverted)	Предсказание (алгоритм Зукера)
Акцепторный стебель	1–7 и 66–72	не найден	3–7 и 34–38
D-стебель	10–13 и 58–63	не найден	11–15 и 29–33
Т-стебель	26–30 и 48–56	49–53 и 61–65	46–49 и 57–60
Антикодоновый стебель	20–24 и 24–28	22–31 и 39–48	19–20 и 27–28
Общее число канонических пар	21	13 (8 ложных + 5 Т-стебель)	21

---

Задание 2. Поиск ДНК-белковых контактов в заданной структуре

Упражнение 1. Определение множеств атомов ДНК

В данном упражнении исследовалась структура транскрипционного фактора GCN4 в комплексе с ДНК (PDB ID: 2DGC). Белок представляет собой функциональный гомодимер, связывающийся с ДНК по типу «лейциновой застежки». Целью задания было выделение трех химически различных множеств атомов ДНК (сахарофосфатного остова и азотистых оснований) с последующим созданием скриптов для их автоматического поиска и визуализации в программе PyMOL.

# Множество атомов кислорода 2'-дезоксирибозы (set1)
select set1, (polymer.nucleic and name O3*+O4*+O5*+O3'+O4'+O5')

# Множество атомов кислорода в остатке фосфорной кислоты (set2)
select set2, (polymer.nucleic and name OP1+OP2+O1P+O2P)

# Множество атомов азота в азотистых основаниях (set3)
select set3, (polymer.nucleic and elem N)

Упражнение 2. Оценка контактов между белком и ДНК

Оценивались различные контакты: полярные и неполярные взаимодействия с разными химическими группами ДНК, а также связывание со стороны большой и малой бороздок.

# Полярные атомы белка (азоты и кислороды)
select b_pol, (polymer.protein and elem N+O)

# Неполярные атомы белка (углерод и сера)
select b_nepol, (polymer.protein and elem C+S)

# Контакты с дезоксирибозой (set1)
select c1, (b_pol within 3.5 of set1)
select c2, (b_nepol within 4.5 of set1)

# Контакты с фосфатами (set2)
select c3, (b_pol within 3.5 of set2)
select c4, (b_nepol within 4.5 of set2)

# Азоты большой бороздки
select broad, (set3 and name N6+N7+N4)

# Азоты малой бороздки
select narrow, (set3 and name N2+N3)

Таблица 2. Контакты разного типа в комплексе 2DGC

Контакты атомов белка с...	Полярные (до 3.5 Å)	Неполярные (до 4.5 Å)	Всего
Остатками 2'-дезоксирибозы	1	5	6
Остатками фосфорной кислоты	6	13	19
Основаниями со стороны большой бороздки	3	3	6
Основаниями со стороны малой бороздки	0	0	0