Structure of DNA and RNA

В соответствии с моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика, предложенной в 1953 г. на основании ряда аналитических данных, а также рентгеноструктурного анализа молекула ДНК состоит из двух цепей, образуя правовращающую спираль, в которую обе полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной и той же оси. Удерживаются цепи благодаря водородным связям, образующимся между их азотистыми основаниями. Необходимо указать, что конфигурация двойной спирали ДНК сильно меняется в зависимости от количественного содержания воды и ионной силы окружающей среды. Методами рентгеноструктурного анализа доказано существование по крайней мере 6 форм ДНК, названных А-, В-, С-, D-, Е- и Z-формами. В данном разделе мы рассмотрим A-, B-, Z-формы. Также мы рассмотрим некоторые аспекты структуры тРНК. Относительно вторичной структуры тРНК наиболее вероятной представляется модель, предложенная Р. Холли, плоское изображение которой напоминает клеверный лист.[1]

Задание 1. Построить модели структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA.

Для начала введем в командую строку следующее:
export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/X3DNA/bin
export X3DNA=/home/preps/golovin/progs/X3DNA

С помощью программы fiber пакета 3DNA построим A-, B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc". Для этого используем следующие команды:
fiber -a gatc-a.pdb
fiber -b gatc-b.pdb
fiber -z gatc-z.pdb

Полученные файлы: gatc-a.pdb, gatc-b.pdb, gatc-z.pdb.

Задание 2.

Упр.1. Научиться выделять разные атомы и химические группировки, используя предопределенные множества JMol.

Будем использовать файл с А-формой.

Рис.1. А-форма ДНК. Основания показаны красным цветом, сахарофосфатный остов - голубым.	Рис.2. Нуклеотиды А-формы ДНК. Голубым цветом показан дезоксиаденозин-5-фосфат, фиолетовым - дезокситимидин-5-фосфат, розовым- дезоксигуанозин-5-фосфат, желтым - дезоксицитидин-5-фосфат.
Рис.3. А-форма ДНК. Аденины выделены красным цветом.	Рис.4. A-форма ДНК. Выделены все гуанины красным цветом и отдельно в каждом показан желтым цветом атом N7.

Упр.2.

Полученные файлы: 1I9V.pdb и 1MDM.pdb.

Упр.3.

Рис.4. ДНК-белковый комплекс (INHIBITED FRAGMENT OF ETS-1 AND PAIRED DOMAIN OF PAX5 BOUND TO DNA) с идентификатором 1MDM.

Рис.5. тРНК (TRNA-NEOMYCIN COMPLEX) с идентификатором 1I9V.

Файлы с координатами: dna.pdb и rna.pdb

Заданные структуры ДНК и РНК разрывов не имеют.

Задание 3. Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol.

Упр.1.

Рис.6. B-форма ДНК. Показан тимин11. Красным отмечены атомы, напрвленные в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.

Рис.7. A-форма ДНК. Показан тимин35. Красным отмечены атомы, напрвленные в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.

Рис.8. Тимин. Красным отмечены атомы, напрвленные в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.

В сторону большой бороздки обращены атомы T11.O4, T11.C5m, T11.C5, T11.C4.
В сторону малой бороздки обращены атомы T11.N1, T11.O2, T11.C2.
Остальные атомы основания - T11.N3, T11.C6 не относятся к бороздкам.
В Z-форме нет тиминов, в А-форме все наоборот: T11.O4, T11.C5m, T11.C5, T11.C4 к малой бороздке, а T11.N1, T11.O2, T11.C2 к большой.

Упр2.

Рис.9. А-форма ДНК. Показаны значения ширины малой и большой бороздок.

Рис.9. B-форма ДНК. Показаны значения ширины малой и большой бороздок.

Рис.10. Z-форма ДНК. Показаны значения ширины малой и большой бороздок.

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК.

	A-форма	B-форма	*Z-форма
Тип спирали (правая или левая)	правая	правая	левая
Шаг спирали (A)	28.03	33.75	43.5
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки	16.81	18.87	18.3
Ширина малой бороздки	7.98	11.69	7.2

Упр.3

Рис.11. Некоторые торсионные углы Тимина11.

Значения торсионных углов
	α (P - O5')	β (O5' - C5')	γ (C5' - C4')	δ (C4' - C3')	ε (C3' - O3')	ξ (O3' - P)	χ (C1' - N)
A-ДНК	-64.1	174.8	41.7	79.1	147.8	-75.1	-157.2
В-ДНК	-35.2	136.4	31.1	143.4	140.8	-160.5	-34.3
Значения торсионных углов из презентации
А-ДНК	-62	173	52	88 или 3	178	-50	-160
В-ДНК	-63	171	54	123 или 131	155	-90	-117

Т.к. в некоторых случаях отличие в торсионных углах довольно существенное, можно предположить, что это связано с тем, что в таблице для сравнения приведены данные для другого нуклеотида.

Задание 4. Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA.

Упр.1.
Так как пакет 3DNA работает только со старым форматом .pdb, используем программу remediator для перевода файлов 2dxi.pdb и 1by4.pdb в старый формат:

remediator --old "XXXX.pdb" > "XXXX_old.pdb"

Для каждого из файлов gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb была выполнена следующая команда:

find_pair -t gatc-x.pdb stdout | analyze

В результате для каждой структуры создан ряд файлов с описанием разных её параметров. В файлах gatc-a.out, gatc-b.out и gatc-z.out можно найти значения торсионных углов. Для удобства значения торсионных углов для рассматриваемых структур приведены в файле torsion_abz.xlsx.

Если сравнить значения соответствующих торсионных углов в структурах A-, B- и Z-форм ДНК, то в наибольшей степени различаются значения следующих углов: у A- и B-форм - ξ;δ и χ;у A- и Z-форм - α, ξ и χ, у B- и Z-форм - ξ; χ
.
Значения торсионных углов в структуре тРНК для удобства приведены в файле torsion_rna.xlsx. Данная структура больше всего похожа на A-форму ДНК.

Значения торсионных углов для ДНК приведены в файле torsion_dna.xlsx. C помощью алгебраических функций, таких как среднее значение по углам без учета крайних нуклеотидов, разница между полученным средним и углами и суммарное отклонение. Таким образом, самый деформированный нуклеотид по значению торсионных углов - G3 из цепи D.

Изучение вторичной структуры тРНК.

Упр.2.
Рассмотрим водородные связи в структуре тРНК и на основе этого попробуем определить особенности вторичной структуры. Для этого используем файл rna1_old.out

.

          Strand I                    Strand II        
 1   (0.010) A:...1_:[..G]G-----C[..C]:..72_:A (0.013) 
 2   (0.011) A:...2_:[..C]C-----G[..G]:..71_:A (0.010) 
 3   (0.018) A:...3_:[..G]G-----C[..C]:..70_:A (0.008) 
 4   (0.014) A:...4_:[..G]G-*---U[..U]:..69_:A (0.006) 
 5   (0.018) A:...5_:[..A]A-----U[..U]:..68_:A (0.008) 
 6   (0.009) A:...6_:[..U]U-----A[..A]:..67_:A (0.006) 
 7   (0.013) A:...7_:[..U]Ux----A[..A]:..66_:A (0.017)

Акцепторный стебель состоит из участка 1-7 и комплементарного ему участка 66-72.

 

8   (0.017) A:..49_:[..C]C-----G[..G]:..65_:A (0.021)                                                             
9   (0.009) A:..50_:[..U]U-----A[..A]:..64_:A (0.012) 
10   (0.013) A:..51_:[..G]G-----C[..C]:..63_:A (0.010) 
11   (0.007) A:..52_:[..U]U-----A[..A]:..62_:A (0.023)

T-стебель состоит из участка 49-52 и комплементарного ему 62-65.


16   (0.014) A:..40_:[..C]C-----G[..G]:..30_:A (0.015) 
17   (0.008) A:..41_:[..U]U-----A[..A]:..29_:A (0.014) 
18   (0.008) A:..42_:[..G]G-----C[..C]:..28_:A (0.009) 
19   (0.011) A:..43_:[..G]G-----C[..C]:..27_:A (0.014)

Антикодоновый стебель состоит из участка 40-43 и комплементарного ему 27-30.

  
 
21   (0.005) A:..10_:[..G]G-----C[..C]:..25_:A (0.004) 
22   (0.021) A:..11_:[..C]C-----G[..G]:..24_:A (0.014) 
23   (0.019) A:..12_:[..U]U-----A[..A]:..23_:A (0.013) 
24   (0.011) A:..13_:[..C]C----xG[..G]:..22_:A (0.020)

D-стебель состоит из участка 10-13 и комплементарного ему 22-25. Всего 7 неканонических пар. Пример неканонической пары:

 
A:...4_:[..G]G-*---U[..U]:..69_:A,

т.е. G4-U69. Найдем дополнительные водородные связи в тРНК, стабилизирующие ее третичную структуру. Для этого рассмотрим комплементарные пары, не имеющие отношения к стеблям.

 
19_:[..G]G-----C[..C]:..56

То есть сюда относится пара G19-G56.

Рис.12. Вторичная структура тРНК. Красным цветом показан акцепторный стебель, зеленым - T-стебель, желтым - D-стебель, синим - антикодоновый стебель.

Упр.3.Возможные стекинг-взаимодействия.

Стэкинг взаимодействия - взаимодействия между основаниями, уложенными одно над другим. В них участвуют силы Ван-дер-Ваальса и диполь-дипольные взаимодействия.
Используем файл rna1_old.out с характеристикой структуры тРНК. Найдем данные о величине площади "перекрывании" 2-х последовательных пар азотистых оснований. Для пар с наибольшими значениями получим стандартное изображение стекинг-взаимодействия. Будем использовать следующие команды:

ex_str -8 stacking.pdb step8.pdb
stack2img -cdolt step8.pdb step8.ps

   step      i1-i2        i1-j2        j1-i2        j1-j2        sum     
 1 GC/GC  3.98( 1.77)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.04( 2.90) 10.02( 4.67) 
10 GU/AC  7.09( 4.53)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  3.04( 1.53) 10.13( 6.06)
12 Gu/AC  8.29( 3.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  3.56( 0.99) 11.85( 3.99)
21 GC/GC  2.48( 0.13)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  7.37( 3.95)  9.85( 4.09)

Рис.14. Стэкинг-взаимодействие GC/GC. (step1)	Рис.15. Стекинг-взаимодействие GU/AC. (step10)
Рис.16. Стекинг-взаимодействие GU/AC. (step12)	Рис.17. Стекинг-взаимодействие GC/GC. (step21)

Рассмотрим также и пары с отсутствием перекрывания:

Рис.18. Step20. Стэкинг-взаимодействие минимально.

Рис.19. Step26. Стэкинг-взаимодействие минимально.

Проверим пространственное расположение взаимодействующих пар в JMOl. Возьмем, например, пару GU/AC из step1. На рис.20 мы видим подтверждение, что эта пара имеет одно из максимальных стэкинг-взаимодействий.

Рис.20. Пространственное расположение пары GU/AC. Красным цветом показан A62, голубым - U52, желтым - C63.