Третий семестр

Исследование белок-нуклеиновых контактов

Если одновременно открыть в RasMol полученные PDB-файл и файл с биологической единицей , то структуры макромолекул полностью совпадают. Общее число атомов в файлах различно, отличие заключается в разном количестве воды: в файле с биологической структурой воды на 25 молекул больше. PDB-файл весит на 125 кБ больше, это связано с тем, его текстовый формат содержит больше описательной информации о структурах (больше строк в полях SOURCE ,REMARK).
Файлы содержат структуру комплекса Топоизомеразы I - ДНК (длиной в 22 нуклеотида) .

Для выполнения следующих заданий использовался файл с биологической единицей.

• Исследование контактов между молекулами белка и нуклеиновой кислоты.

  Помимо определеных 3 множеств
    base - все атомы оснований ДНК (эквивалентно dna and not backbone);
    mjg - атомы оснований ДНК, обращtнные в большую бороздку ("major groove");
    mig - атомы оснований ДНК, обращенные в малую бороздку ("minor groove"),
  были определены еще несколько

  для ДНК:
    pol_des - полярные атомы 2'-дезоксирибозы;
    nonp_desнеполярные атомы 2'-дезоксирибозы;   pol_ph - полярные атомы остатков фосфорной кислоты: " *.O?P " ;
    pol_mjg/pol_mig - полярные атомы азотистых оснований, обращенные в большую/малую бороздку;
    nonp_mjg (nonp_mig) - неполярные атомы азотистых оснований, обращенные в большую/малую бороздку;

  для белка:
  так как предопределенные в RasMol множества атомов белка polar и hydrophobic определяют множества полярных и гидрофобных аминокислот соответственно, а не атомов, то были задоны следующие подмножества
    p_in_n - полярные атомы в неполярных аминокислотах;
    p_in_p - полярные атомы в полярных аминокислотах;
    n_in_p - неполярные атомы в полярных кислотах;
    n_in_n - неполярные атомы в неполярных кислотах,
  затем они были объединены в требуемые множества pol_prot (все полярые атомы белка) nonp_prot (все неполярные атомы белка).

  При поиске полярных контактов использовался порог расстояния в 3,5 Å, а при поиске неполярных - 4,5 Å (cоответственно, полярный контакт имеет место, если оба контактирующих атома полярны; неполярный контакт , если оба атома неполярны).

  Для выполнения задания был составлен данный скрипт Результаты представлены в таблице:

  Контакты белка с ...	Полярные	Гидрофобные	Всего
  ... остатками 2'-дезоксирибозы	4	27*	31
  ... остатками фосфорной кислоты	21	-	21
  ... остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки	0	6	6
  ... остатками азотистых оснований со стороны малой бороздки	0	0	0

  * - гидрофобных взаимодействий много, взаимодействуют не пары атомов, а группы гидрофобных атомов. В таблице указано количество атомов белка, участвующх в контакте.

  У этого комплекса больше гидрофобных контактов, совсем нет контактов с малой бороздкой.

• Поиск специфических контактов, обеспечивающих узнавание сайта в молекуле ДНК.

  Поиск спец-контактов производился между атомами оснований ДНК и белка. Как видно из таблицы, контактов между ними немного и только гидрофобные. Была выбрана аминокислота тирозин 426(TYR, W), так ее атомы взаимодействую с несколькими гидрофобными атомами основания ДНК. С помощью RasMol этот контакт был рассмотрен подробнее:
  

  Аминокислота тирозин может образовывать сильный гидрофобный контакт, так содержит большое количество гидрофобных атомов. Я не стала выделять его конкретными связями между атомами, так как гидрофобный котакт осуществляется группой атомов, ограничивающих определенную гидрофобную область. Конечно, это не столь сильный признак специфичности котакта, как к примеру, образование нескольких полярный контактов одной аминокислотой, но это единственное, что выявляется при рассмотрении данной структуры.

• Описание функций исследованного белка.

  AC исследуемого белка (UniProt AC): P11387
  ID исследуемого белка:TOP1_HUMAN

  Данный белок явлется топоизомеразой - ферментом, катализирующим превращение одного топологического изомера ДНК в другой путем образования или удаления узлов и зацеплений, уменьшения или увеличения степени сверх-спирализации в молекуле. Регуляция сверх-спирализации необходима для предотвращений повреждений молекулы ДНК, которые могут вызвать изменения в геноме.

  В структуре топоизомеразы имеется 2 домена, определяющих ее функциию - Topoisom_I_N и Topoisom_I:
  
  Домены находятся в следующих позициях: 215-429(Topoisom_I_N), 432-673 (Topoisom_I).

  Рассмотренная в 3 задании аминокислота TYR426 относится к первому домену. Для домена Topoisom_I_N было получено выравнивание .

  *

  1

  8

  0

  *

  2

  0

  0

  *

  2

  2

  0

  *

  Q

  9

  4

  7

  0

  5

  _

  P

  H

  Y

  :

  G

  L

  F

  L

  G

  R

  G

  A

  H

  P

  K

  T

  G

  L

  V

  K

  K

  R

  I

  E

  A

  E

  -

  D

  I

  T

  I

  N

  I

  G

  K

  G

  V

  P

  V

  P

  E

  -

  -

  -

  P

  P

  P

  G

  -

  H

  K

  W

  C

  K

  V

  V

  H

  D

  D

  K

  V

  A

  W

  L

  A

  M

  W

  K

  E

  N

  I

  N

  N

  G

  F

  -

  K

  Y

  V

  W

  L

  :

  2

  1

  3

  Q

  2

  7

  5

  2

  9

  _

  C

  A

  E

  :

  G

  V

  F

  R

  G

  R

  G

  G

  H

  P

  K

  M

  G

  L

  I

  K

  K

  R

  I

  M

  P

  E

  -

  D

  V

  I

  I

  N

  C

  G

  K

  D

  T

  E

  I

  P

  K

  -

  -

  -

  P

  P

  P

  G

  -

  H

  K

  W

  K

  E

  V

  R

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  C

  S

  W

  T

  E

  S

  V

  L

  G

  Q

  N

  -

  K

  Y

  I

  M

  L

  :

  2

  1

  5

  T

  O

  P

  1

  _

  D

  R

  O

  M

  E

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  E

  H

  P

  K

  M

  G

  M

  I

  K

  R

  R

  I

  Q

  A

  S

  -

  D

  V

  S

  I

  N

  C

  G

  K

  D

  S

  K

  V

  P

  S

  -

  -

  -

  P

  P

  P

  G

  -

  S

  R

  W

  K

  E

  V

  R

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  A

  S

  W

  I

  E

  N

  V

  Q

  G

  Q

  V

  -

  K

  Y

  I

  M

  L

  :

  2

  1

  5

  T

  O

  P

  1

  _

  M

  O

  U

  S

  E

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  N

  H

  P

  K

  M

  G

  M

  L

  K

  R

  R

  I

  M

  P

  E

  -

  D

  I

  I

  I

  N

  C

  S

  K

  D

  A

  K

  V

  P

  S

  -

  -

  -

  P

  P

  P

  G

  -

  H

  K

  W

  K

  E

  V

  R

  H

  D

  N

  K

  V

  T

  W

  L

  V

  S

  W

  T

  E

  N

  I

  Q

  G

  S

  I

  -

  K

  Y

  I

  M

  L

  :

  2

  1

  5

  T

  O

  P

  1

  _

  X

  E

  N

  L

  A

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  D

  H

  P

  K

  M

  G

  K

  L

  K

  K

  R

  I

  M

  P

  E

  -

  D

  I

  I

  I

  N

  C

  S

  K

  D

  S

  K

  I

  P

  V

  -

  -

  -

  A

  P

  A

  G

  -

  H

  K

  W

  K

  E

  V

  R

  H

  D

  G

  K

  V

  T

  W

  L

  V

  S

  W

  T

  E

  N

  I

  Q

  G

  S

  I

  -

  K

  Y

  I

  M

  L

  :

  2

  1

  5

  O

  5

  9

  8

  9

  1

  _

  C

  R

  Y

  :

  G

  L

  F

  K

  G

  R

  G

  E

  H

  P

  K

  K

  G

  T

  V

  K

  N

  R

  L

  R

  P

  E

  -

  D

  I

  I

  I

  N

  I

  G

  K

  E

  A

  P

  I

  P

  V

  -

  -

  -

  P

  N

  I

  P

  -

  G

  Q

  W

  K

  G

  I

  Q

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  A

  H

  W

  K

  E

  N

  V

  N

  G

  N

  A

  -

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  1

  8

  O

  1

  3

  4

  6

  3

  _

  E

  M

  E

  :

  S

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  E

  H

  P

  K

  T

  G

  R

  V

  K

  A

  R

  V

  Q

  P

  E

  -

  Q

  I

  T

  I

  N

  I

  G

  K

  E

  A

  R

  V

  P

  P

  -

  -

  -

  P

  P

  E

  G

  -

  H

  K

  W

  K

  E

  V

  K

  H

  D

  Q

  E

  G

  T

  W

  L

  A

  M

  W

  Q

  E

  N

  I

  N

  G

  N

  Y

  -

  K

  Y

  V

  M

  L

  :

  2

  2

  4

  O

  6

  0

  0

  1

  3

  _

  P

  N

  E

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  D

  H

  P

  K

  T

  G

  K

  L

  K

  T

  R

  V

  V

  P

  E

  -

  Q

  V

  I

  I

  N

  I

  G

  K

  D

  S

  V

  I

  P

  S

  -

  -

  -

  P

  P

  P

  G

  -

  H

  N

  W

  K

  E

  V

  R

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  A

  T

  W

  N

  E

  N

  V

  N

  N

  N

  V

  -

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  1

  7

  T

  O

  P

  1

  _

  S

  C

  H

  P

  O

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  S

  H

  P

  K

  T

  G

  S

  L

  K

  R

  R

  V

  Y

  P

  E

  -

  Q

  I

  T

  I

  N

  I

  G

  E

  G

  V

  P

  V

  P

  E

  -

  -

  -

  P

  L

  P

  G

  -

  H

  Q

  W

  A

  E

  V

  K

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  A

  T

  W

  H

  E

  N

  I

  N

  N

  N

  V

  -

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  1

  6

  T

  O

  P

  1

  _

  Y

  E

  A

  S

  T

  :

  D

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  A

  H

  P

  K

  T

  G

  K

  L

  K

  R

  R

  V

  N

  P

  E

  -

  D

  I

  V

  L

  N

  L

  S

  K

  D

  A

  P

  V

  P

  P

  -

  -

  -

  A

  P

  E

  G

  -

  H

  K

  W

  G

  E

  I

  R

  H

  D

  N

  T

  V

  Q

  W

  L

  A

  M

  W

  R

  E

  N

  I

  F

  N

  S

  F

  -

  K

  Y

  V

  R

  L

  :

  2

  1

  9

  T

  O

  P

  1

  _

  C

  A

  N

  A

  L

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  A

  H

  P

  K

  T

  G

  K

  L

  K

  R

  R

  V

  V

  S

  E

  -

  Q

  V

  T

  L

  N

  L

  G

  K

  D

  A

  K

  I

  P

  E

  -

  -

  -

  P

  P

  A

  G

  -

  H

  Q

  W

  G

  E

  I

  R

  H

  D

  N

  E

  V

  T

  W

  L

  A

  M

  W

  K

  E

  N

  I

  S

  D

  S

  L

  -

  K

  Y

  V

  R

  F

  :

  2

  1

  7

  O

  2

  4

  3

  0

  7

  _

  P

  E

  A

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  E

  H

  P

  K

  M

  G

  R

  L

  K

  K

  R

  I

  H

  P

  S

  -

  D

  I

  V

  I

  N

  I

  G

  S

  E

  A

  Q

  V

  P

  E

  C

  -

  -

  P

  I

  P

  G

  -

  E

  G

  W

  K

  D

  I

  R

  N

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  C

  Y

  W

  S

  D

  P

  I

  N

  P

  K

  L

  F

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  1

  3

  T

  O

  P

  1

  _

  A

  R

  A

  T

  H

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  E

  H

  P

  K

  M

  G

  K

  L

  K

  K

  R

  I

  H

  P

  C

  -

  E

  I

  T

  L

  N

  I

  G

  K

  G

  A

  P

  I

  P

  E

  C

  -

  -

  P

  I

  A

  G

  -

  E

  R

  W

  K

  E

  V

  K

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  A

  F

  W

  A

  D

  P

  I

  N

  P

  K

  E

  F

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  1

  3

  T

  O

  P

  1

  _

  D

  A

  U

  C

  A

  :

  R

  V

  V

  Q

  R

  S

  W

  R

  A

  S

  K

  D

  P

  Q

  V

  K

  K

  N

  V

  Y

  S

  Q

  I

  D

  I

  T

  I

  N

  I

  G

  K

  D

  A

  P

  I

  P

  E

  P

  -

  -

  P

  I

  P

  G

  -

  E

  R

  W

  K

  E

  I

  R

  H

  D

  N

  T

  V

  T

  W

  L

  A

  F

  W

  N

  D

  P

  I

  N

  P

  K

  E

  F

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  1

  6

  T

  O

  P

  1

  _

  U

  S

  T

  M

  A

  :

  G

  L

  F

  L

  G

  R

  G

  A

  H

  P

  K

  A

  G

  K

  V

  K

  R

  R

  I

  S

  P

  G

  -

  D

  I

  T

  I

  N

  H

  S

  G

  D

  H

  P

  A

  P

  Q

  -

  -

  -

  P

  P

  A

  G

  M

  G

  D

  W

  A

  E

  V

  V

  E

  K

  K

  D

  V

  T

  W

  L

  A

  Y

  W

  K

  E

  N

  I

  N

  G

  Q

  Y

  -

  K

  Y

  V

  F

  L

  :

  2

  2

  3

  Q

  2

  6

  0

  2

  4

  _

  P

  L

  A

  :

  G

  L

  F

  R

  G

  R

  G

  E

  H

  P

  K

  Q

  G

  L

  L

  K

  K

  R

  I

  F

  P

  E

  -

  D

  V

  V

  I

  N

  I

  S

  K

  D

  A

  P

  V

  P

  R

  L

  Y

  D

  N

  M

  C

  G

  -

  H

  N

  W

  G

  D

  I

  Y

  H

  D

  N

  K

  V

  T

  W

  L

  A

  Y

  Y

  K

  D

  S

  I

  N

  D

  Q

  I

  -

  K

  Y

  T

  F

  L

  :

  2

  2

  7

  g

  l

  f

  g

  r

  g

  h

  p

  K

  g

  K

  r

  i

  N

  k

  P

  p

  g

  W

  h

  d

  v

  t

  W

  L

  w

  K

  Y

  l

  Исходя из этих данных можно сделать вывод, что тирозин 426 являются консервативными,поэтому данную аминокислоту можно считать важной для связывания данного белка с ДНК, что подтверждает предположение о спец-контаккте. Лизин 425 (LYS425) также занимает консервативную позицию. Но это аминокислота не определялась, как связанная непосредственно с основанием ДНК. При рассмотрении ее контакта с ДНК в RasMol, было получено следующее изображение:

  

  Как видно, данная аминокислота образует полярное взаимодествие с кислородом фосфорной кислоты. Можно предположить, что данный котакт тоже является специфическим, так как функция белка (к примеру, "разрезание" молекулы ДНК, предотвращающее ее повреждение) в принципе не требует от аминокислот обязательного взаимодействия с именно основанями ДНК, а не остовом молекулы.

• Построение схемы контактов белка с ДНК.

  С помощью программы nucplot, была получена следующая схема контактов.

  

  Полученная схема соответствует данным, полученным при рассмотрении структуры в RasMol. Очень много взаимодествий с молекулами воды. Нет полярных взаимодействий аминокислот с обычными основаниями ДНК, но был определен один полярный контакт с модифицированным основанием.