А и В формы ДНК. Структура РНК

Задание 1

При помощи программы fiber из пакета 3DNA были получены файлы gatc_a.pdb, gatc_b.pdb, gatc_z.pdb, содержащие смоделированные структуры ДНК в А, В и Z формах соответственно.

А и В формы состояли из 5 повторений фрагмента GATC, Z форма — из 10 повторов GC.

Рис 1. Изображение форм ДНК

Задание 2

В этом задании полученные структуры сравнивались при помощи средств Jmol.

Упражнение 1

Были рассмотрены А и В формы ДНК, визуально найдены большая и малая бороздки. Затем для цитозина было определено, какие из атомов обращены к той или иной бороздке.

Рис 2. Выбранный цитозин в А и В формах.

Результат можно видеть на Рис.3, где красным цветом обозначены атомы, обращенные к большой бороздке, синим — к малой. Изображение получено посредством MarvinSketch.

Рис 3. Цитозин

Резюме:

в сторону большой бороздки обращены атомы С8.C4, C8.N4, C8.C5, C8.C6
в сторону малой бороздки обращены атомы C8.C2, C8.O2, C8.N1
принадлежность оставшегося атома N3 чётко определить не удалось
эта картина наблюдалась как в В, так и в А форме (для Z формы, резко отличающейся от А и В строением, можно говорить по сути лишь об одной малой бороздке, поэтому рассмотрение обращения атомов не имеет смысла).

Упражнение 2

Измерение основных спиральных параметров разных форм ДНК было проведено в Jmol. Результаты представлены в Таблице 1.

Таблица 1

	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали	Правая	Правая	Левая
Шаг спирали	28.03 Å	33.7 Å	43.5 Å
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки	7.98 Å [G]29:B.P-[A]6:A.P	17.21 Å [G]33:B.P-[G]5:A.P	9.87 Å [G]17:A.P-[C]28:B.P
Ширина малой бороздки	16.81 Å [T]15:A.P-[C]28:B.P	11.69 Å [G]25:B.P-[C]20:A.P	16.08 Å [C]12:A.P-[C]28:B.P

Упражнение 3

После измерения торсионных углов (обозначены на схеме Рис.4) нуклеотида с цитозином данные сравнивались с содержащимися в презентации к лекции. По результатам была составлена Таблица 2.

Рис 4. Торсионные углы и их обозначения

Таблица 2. Торсионные углы в А и В формах ДНК

	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
A-форма (данные jmol)	64.1°	174.8°	41.7°	79.1°	-147.8°	-75.1°	-157.2°
A-форма (данные презентации)	62°	173°	52°	88/3	178°	-50°	-160°
В-форма (данные jmol)	85.9°	136.3°	31.2°	143.4°	-140.8°	-160.5°	-98°
В-форма (данные презентации)	63°	171°	54°	123/131	155°	-90°	-117°

Задание 3

Работа с пакетом 3DNA, в частности, с программами find_pair и analyze.

Упражнение 1

Программы find_pair и analyze были объединены в конвейер, на вход которому подавался [pdb]-файл с определенной структурой.

    find_pair -t file.pdb stdout | analyze

На выходе мы получали файл [out], содержащий информацию о структуре соединения.

Так, например, оттуда были извлечены данные о торсионных углах в А, В и Z-ДНК (из моделей, постороенных в Упр.1); в тРНК (PDBID=2dxi); в ДНК (PDBID=1by4). Затем данные для двух последних структур были проанализированы при помощи средств MS Excel c целью получения средних значений торсионных углов в реальных соединениях.

Файл [xlsx], в котором проводились расчёты, доступен для скачивания.

Итоговое сравнение торсионных углов приведено в Таблице 3.

Как видно, структура тРНК по торсионным углам наиболее близка к А-форме ДНК, нежели к иным.

Далее были определены самые "деформированные" нуклеотиды в структурах 2dxi и 1by4, то есть нуклеотиды, у которых значения торсионных углов сильно отличаются от средних. Они для наглядности также приведены в таблице.

Таблица 3. Средние значения и выбросы среди торсионных углов различных структур НК

	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
Торсионные углы у смоделированных структур, °
A-ДНК	-51,7	174,8	41,7	79,1	-147,8	-75,1	-157,2
В-ДНК	-29,9	136,4	31,1	143,4	-140,8	-160,5	-98
Z-ДНК (С)	-139,5	-136,8	50,8	137,6	-96,5	82	-154,3
Z-ДНК (G)	52	179	-173,8	94,9	-103,6	-64,8	58,7
Значения торсионных углов у тРНК 2dxi, °
Средние	-32,4	74,6	47,5	85,9	-134,0	-55,1	-137,2
Деформированный А41-нуклеотид	126,5	-104,8	-160,7	100	88,2	88,6	-129,5
Значения торсионных углов у ДНК 1by4, °
Средние	10,6	16,6	12,3	143,0	-98,0	-78,4	-109,2
Деформированный G11-нуклеотид	-78,2	163,8	79,2	89,1	-151,3	-103,6	-168,2

Упражнение 2

Определение водородных связей в структуре тРНК.

Информация о номерах нуклеотидах в стемах (стеблях) тРНК была извлечена из [out]-файла для структуры 2dxi. Для этого нужно было рассматривать те участки, на которых остатки обеих цепей идут согласно последовательности их номеров. Остальные же участки стемами не являются.

Получено 4 стема, каждый из которых окрашен в свой цвет (остальные же элементы структуры тРНК показаны в белом цвете). Соответствующие номера нуклеотидов можно увидеть на Рис. 5

жёлтый: акцепторный стебель
зелёный: T-стебель
оранжевый: D-стебель
красный: антикодоновый стебель

Рис 5. Стебли тРНК в структуре 2dxi

Наличие в структуре неканонических пар указано в файле [out]:

            Strand I                    Strand II          Helix
   2   (0.014) ....>C:.502_:[..G]G-*---U[..U]:.571_:C<.... (0.008)     |
  14   (0.007) ....>C:.555_:[..U]U-**+-G[..G]:.518_:C<.... (0.008)     x
  15   (0.007) ....>C:.538_:[..A]A-**--C[..C]:.532_:C<.... (0.004)     |
  21   (0.006) ....>C:.544_:[..A]A-**--G[..G]:.526_:C<.... (0.008)     |
  25   (0.004) ....>C:.513_:[..U]U-*---G[..G]:.522_:C<.... (0.009)     |

Стабилизирующие водородные связи могут быть определены при рассмотрении комплементарных пар, не входящих в структуру стеблей:

  13   (0.005) ....>C:.554_:[..U]U-**--A[..A]:.558_:C<.... (0.003)     |
  14   (0.007) ....>C:.555_:[..U]U-**+-G[..G]:.518_:C<.... (0.008)     x
  15   (0.007) ....>C:.538_:[..A]A-**--C[..C]:.532_:C<.... (0.004)     |
  26   (0.007) ....>C:.514_:[..A]A-**--U[..U]:.508_:C<.... (0.007)     |
  27   (0.021) ....>C:.515_:[..G]G-**+-C[..C]:.548_:C<.... (0.011)     x
  28   (0.006) ....>C:.519_:[..G]G-----C[..C]:.556_:C<.... (0.002)     +

Упражнение 3.

Нахождение возможных стекинг-взаимодействий.

В [out]-файле содержатся данные о площадях перекрывания для каждых двух последовательных пар оснований.

Одни из наибольших и наименьших площадей перекрывания у пар соответственно:

     step      i1-i2        i1-j2        j1-i2        j1-j2        sum
   2 GC/GU  7.07( 4.32)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.67( 4.16) 13.74( 8.48)
  14 UA/CG  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)

Структура всех таких имеющихся пар записывается в файл stacking.pdb в виде отдельных моделей. Изображения были получены или посредством Jmol, или же программой stack2img, на вход которой подавалась вырезанная при помощи ex_str модель в формате [pdb]. (Затем полученный [ps]-файл был конвертирован в [png]-формат).

Выделение модели номер n в отдельный файл из stacking.pdb:

	ex_str -n stacking.pdb step_n.pdb

Создание изображения по модели step_n.pdb с помошью stack2img:

	stack2img -cdolt step_n.pdb step_n.ps

Пары с максимальной площадью перекрывания GC/GU

stack2img	Jmol

Пары с минимальной площадью перекрывания UA/CG

stack2img	Jmol