Marina Gladkova

Posted Sunday, September 25, 2016. Renewed Saturday, October 1, 2016 by Marina Gladkova

A- и В- формы ДНК. Структура РНК.

Суть работы - сравнительный анализ канонической ДНК и стеблей тРНК.

Задание 1.

C помощью инструментов пакета 3DNA были построены модели структур A-, B- и Z-формы ДНК. Пакет 3DNA - один из популярных пакетов программ для анализа и простейшего моделирования структур нуклеиновых кислот под операционной системой LINUX.
В программе Рutty, используя протокол ssh, я подсоединилась к серверу kodomo.cmm.msu.ru. В заданной директории term3/block1/pr2 посредством программы fiber пакета 3DNA я построила A-, B- и Z-формы дуплекса ДНК, записанные соответственно в файлы gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb. A и B состоят из GATC повторов, Z - только из G:C пар.


A-форма ДНК (Jmol)	B-форма ДНК (Jmol)	Z-форма ДНК (Jmol)

Задание 2. Упражнение 1.

Анализ структуры дуплексов ДНК в визуализаторе JMol.
Для данного мне основания (цитозина) были определены следующие характеристики:

Атомы цитозина в трех формах ДНК
	A-форма	B-форма	Z-форма
В сторону большой бороздки обращены атомы:	C12.N4, C12.C4, C12.C5, C12.C6	C12.N4, C12.C4, C12.C5, C12.C6	Не имеет смысла говорить о большой бороздке, так как она слабо выражена в этой форме
В сторону малой бороздки обращены атомы:	C12.O2, C12.C2, C12.N1	C12.O2, C12.C2, C12.N1	Малая бороздка узкая и глубокая
Остальные атомы основания:	C12.N3	C12.N3	-

В программе MarvinSketch получены изображение основания из 2 ДНК, где красным цветом выделены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.


Азотистое основание цитозин, C12

Задание 2. Упражнение 2.

Измерение основных спиральных параметров разных форм ДНК с помощью JMol.

Таблица спиральных параметров ДНК
	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали	Правая	Правая	Левая
Шаг спирали (Å)	28.03 Å	33.7 Å	43.5 Å
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки	16.81 Å [DG]33:B.P #657 - [DA]10:A.P #187	17.21 Å [DC]4:A.P #64 - [DA]34:B.P #679	16.08 Å [DC]4:A.P #64 - [DC]36:B.P #720
Ширина малой бороздки	7.98 Å [DG]1:A.P #1 - [DA]34:B.P #679	11.69 Å [DC]36:B.P #720 - [DG]9:A.P #165	7.2 Å [DG]29:B.P #575 - [DG]15:A.P #288

Задание 2. Упражнение 3.

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм ДНК.
С помощью команды Settings->Torsion JMol были проведены измерения торсионных углов цитозина.

Изображение торсионных углов в цитозине

Полученные результаты сравнивались со значениями, приведенными в презентации.

Торсионные углы разных форм ДНК в градусах (°)
	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
A-форма (в Jmol)	-51.8	174.8	41.7	79.1	-147.8	-75.1	-157.2
A-форма (в презентации)	62	173	52	88/3	178	-50	-160
B-форма (в Jmol)	85.9	136.3	31.2	143.4	-140.8	-160.5	-97.9
B-форма (в презентации)	63	171	54	123/131	155	-90	-117

Отличия практических (представленных в презентации) и теоретических данных, вероятно, могут объясняться влиянием окружающих ДНК молекул на ее структуру, и, как следствие, на значения торсионных углов.

Задание 3. Упражнение 1.

Определение торсионных углы нуклеотидов c использованием программ пакета 3DNA.
В пакет входят программы для:

простейшего моделирования структуры нуклеиновых кислот (fiber);
анализа параметров структуры нуклеиновых кислот (find_pair и analyze);
получения популярных способов изображения структуры нуклеиновых кислот (pdb2img, stack2img, rotate_mol);
некоторые вспомогательные программы (например, ex_str, вырезающая фрагмент структуры).

Перенаправив поток из программы find_pair в программу analyze (на вход был подан PDB-файл), на выходе я получила файлы .out c информацией о структуре исследуемых соединений, а именно - 3 форм ДНК, тРНК с PDB ID 1f7u и ДНК-белкового комлекса с PDB ID 1tro. Средние значения углов для двух последних соеднений были найдены посредством работы в MS Excel.

Средние значения торсионных углов в градусах (°)
	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
A-форма	-51.7	174.8	41.7	79.1	-147.8	-75.1	-157.2
B-форма	-29.9	136.3	31.2	143.3	-140.8	-160.5	-98.0
Z-форма (G)	51.9	179.0	-173.8	94.9	-103.6	-64.8	58.7
Z-форма (C)	-139.5	-136.8	50.9	137.6	-96.5	82.0	-154.3
тРНК (PDB ID 1f7u)	-43.8	39.2	51.5	89.7	-145.0	-71.0	-150.6
"Деформированный" 16G из тРНК	146.9	-173.7	179.9	82.8	-137.9	-76.7	-173.9
ДНК-белковый комлекс (PDB ID 1tro)	-50.5	49.2	39.7	121.4	-86.2	-99.0	-122.8
"Деформированный" 6A из ДНК	-178.9	-154.4	152.6	80.1	-153.3	-80.1	-149.6

Ссылка на файл .xlsx

Таким образом, можно сделать вывод, что торсионные углы в А- и В-формах ДНК, несмотря на различия (максимальные из них составили 85.4° и 64.2° для углов ζ и δ соответственно), в целом схожи. Отличия Z-формы от двух других выражены более четко для всех углов: наибольшия расхождения в углах γ и χ (G), β и ζ (C). Заданная структура тРНК наиболее схожа с А-формой, однако мы можем наблюдать явное отклонение угла β. "Странное" значение в 39.2° он принимает потому, что не наблюдается разброса по модулям значений углов разных оснований, и при подсчете среднего арифметического угол фактически обнуляется. Самый "деформированный" нуклеотид в тРНК - 16 гуанин II цепи, в ДНК-белковом комплексе это 6 аденин I цепи.

Задание 3. Упражнение 2.

Определение структуры водородных связей.
Информацию о нуклеотидах в стемах (стеблях) тРНК можно найти в .out-файле для структуры 1f7u. Stem (стебель) - такой мотив РНК, на котором остатки обеих цепей идут согласно их нумерации (другие участки не являются стемами). Изображение РНК было получено с помощью Jmol. Разными оттенками сиреневого выделены соответственно таблице акцепторный стебель, Т-стебель, D-стебель и антикодоновый стебель. Оставшаяся часть молекулы покрашена в белый.

Встречаются следующие неканонические пары оснований:

            Strand I                    Strand II          Helix

   1   (0.044) ....>B:.901_:[PSU]P-**--A[..A]:.972_:B<.... (0.003)     |
   5   (0.002) ....>B:.905_:[..U]U-*---G[..G]:.968_:B<.... (0.007)     |
  13   (0.003) ....>B:.954_:[5MU]t-**--a[1MA]:.958_:B<.... (0.005)     |
  14   (0.044) ....>B:.955_:[PSU]P-**+-G[..G]:.917_:B<.... (0.006)     x
  19   (0.003) ....>B:.943_:[..A]A-**--P[PSU]:.927_:B<.... (0.045)     |
  20   (0.004) ....>B:.944_:[..A]A-**--g[M2G]:.926_:B<.... (0.005)     |
  24   (0.005) ....>B:.913_:[..C]C-**--C[..C]:.922_:B<.... (0.002)     |
  25   (0.009) ....>B:.914_:[..A]A-**--U[..U]:.908_:B<.... (0.004)     |
  26   (0.012) ....>B:.915_:[..A]A-**+-U[..U]:.948_:B<.... (0.004)     x
  Note: This structure contains 9[8] non-Watson-Crick base-pairs.

За счёт водородных связей комплементарных пар оснований, не входящих в стем, происходит стабилизация третичной структуры молекулы.

            Strand I                    Strand II          Helix
                                        	
  13   (0.003) ....>B:.954_:[5MU]t-**--a[1MA]:.958_:B<.... (0.005)     |
  14   (0.044) ....>B:.955_:[PSU]P-**+-G[..G]:.917_:B<.... (0.006)     x
  25   (0.009) ....>B:.914_:[..A]A-**--U[..U]:.908_:B<.... (0.004)     |
  26   (0.012) ....>B:.915_:[..A]A-**+-U[..U]:.948_:B<.... (0.004)     x
  27   (0.015) ....>B:.918_:[..G]G-----C[..C]:.956_:B<.... (0.001)     +

Задание 3. Упражнение 3.

Исследование возможных стекинг-взаимодействий.
Stacking (стэкинг-взаимодействие) происходит между основаниями, уложенными одно над другим. Обусловлено в основном дисперсионными лондоновскими силами и гидрофобными эффектами. По данным характеристики в файле 1f7u.out было установлено, что наибольшие и наименьшие значения соответствуют приведенным ниже основаниям.

  12 Gt/aC  8.02( 2.73)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  5.32( 1.87) 13.34( 4.60)
  14 PC/GG  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)
  26 AG/CU  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)

В файле stacking.pdb хранится информация о структуре всех комплементарных пар РНК, записанных как отдельные модели. Затем, на основе этих моделей программа stack2img (с атрибутом -cdolt) строит изображение стекинг-взаимодействий, получая на вход результат программы ex_str - нужную N-ую модель в формате .pdb. В итоге на выходе мы имеем файл .ps, который можно легко конвертировать в .png. Программа JMol была полезна при проверке взаимной ориентации оснований.

Стэкинг нуклеотидов тРНК c наибольшим перекрытием
stack2im	JMol

Стэкинг нуклеотидов тРНК c наименьшим перекрытием
stack2im	JMol

Учебный сайт Марины Гладковой