Cравнительный анализ канонической ДНК и стеблей тРНК

Задание 1 (обязательное)

• Построить модели структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA. Пакет 3DNA - один из популярных пакетов программ для анализа и простейшего моделирования структур нуклеиновых кислот. Работает под операционной системой LINUX. Желающие могут почитать подробное описание пакета (в формате pdf).

• С помощью программы fiber пакета 3DNA постройте A-, B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc" (можно другую последовательность из 4-х разных нуклеотидов!). Структуру дуплекса в А-форме сохраните в файле gatc-a.pdb, структуру дуплекса в В-форме в файле gatc-b.pdb, структуру дуплекса в Z-форме в файле gatc-z.pdb.

• См. подсказки. Форма контроля: ссылки на файлы из html и итоговая контрольная.

Пример запуска fiber, значения переменных среды остануться

%set_env PATH=/srv/conda/miniconda/bin:/srv/conda/miniconda/condabin:/usr/local/bin:/usr/bin:/home/preps/golovin/progs/x3dna-v2.4/bin
%set_env X3DNA=/home/preps/golovin/progs/x3dna-v2.4
#fiber -h

env: PATH=/srv/conda/miniconda/bin:/srv/conda/miniconda/condabin:/usr/local/bin:/usr/bin:/home/preps/golovin/progs/x3dna-v2.4/bin
env: X3DNA=/home/preps/golovin/progs/x3dna-v2.4

! fiber

===========================================================================
NAME
        fiber - generate 56 fiber models based on Arnott and other's work
SYNOPSIS
        fiber [OPTION] PDBFILE
DESCRIPTION
        generate 56 fiber models based on the repeating unit from Arnott's
        work, including the canonical A-, B-, C- and Z-DNA, triplex, etc.
        -cif     output structure coordinates in mmCIF format
        -num     a structure identification number in the range (1-56)
        -m, -l   brief description of the 56 fiber structures
        -a, -1   A-DNA model (calf thymus)
        -b, -4   B-DNA (calf thymus, default)
        -c, -47  C-DNA (BII-type nucleotides)
        -d, -48  D(A)-DNA  poly d(AT) : poly d(AT) (right-handed)
        -z, -15  Z-DNA poly d(GC) : poly d(GC)
        -pauling triplex RNA model, based on Pauling and Corey
        -rna     RNA duplex with arbitrary base sequence
        -seq=string specifying an arbitrary base sequence
        -rep=number no. of repeats of the sequence specified via -seq
        -single  output a single-stranded structure
        -h       this help message (any non-recognized options will do)
INPUT
        An structure identification number (or symbol)
EXAMPLES
        fiber fiber-BDNA.pdb
            # fiber -4 fiber-BDNA.pdb
            # fiber -b fiber-BDNA.pdb
        fiber -a fiber-ADNA.pdb
        fiber -seq=AAAGGUUU -rna fiber-RNA.pdb
        fiber -seq=AAAGGUUU -rna -single fiber-ssRNA.pdb
        fiber -seq=AATTG -rep=5 B-AATTG-repeat5.pdb
            # triplex model (RNA), based on Pauling and Corey
        fiber -pauling triplex-C10C10C10.pdb  # default: 10 Cs per strand
        fiber -pauling -seq=AAA triplex-A3A3A3.pdb  # 3 As per strand
        fiber -pauling -seq=AAAA:CCCC:GGGG Pauling-triplex-A4C4G4.pdb
            # triplex DNA model, with O2' atoms removed
        fiber -pauling-dna -seq=ACTT -repeat=6 Pauling-DNA-triplex.pdb
OUTPUT
        PDB file
SEE ALSO
        analyze, anyhelix, find_pair
AUTHOR
        3DNA v2.4.5-2021may19, created and maintained by xiangjun@x3dna.org
LICENSE
        Creative Commons Attribution Non-Commercial License (CC BY-NC 4.0)
        See http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ for details
NOTE
        *** 3DNA HAS BEEN SUPERSEDED BY DSSR ***

Please post questions/comments on the 3DNA Forum: http://forum.x3dna.org/
===========================================================================

Задание 2 (обязательное)

• Сравнение сгенерированной структуры одной из 3-х форм ДНК с со структурой той же формы полученной экспериментальными данными. Упр.1. Научиться находить большие и малые бороздки. Откройте в JMol файл с выбранной вами сгенерированнй структурой, полученной вами при выполнении задания 1, и одной из pdb структур той же формы на ваш выбор: 1tne (Z-form); 1bna (B-form); 3v9d (A-form).

• Рассмотрите экспериментальную структуру и визуально определите большую и малую бороздку. Выберите заданное вам азотистое основание в любом удобном для вас месте структуры. Определите, какие атомы основания явно обращены в сторону большой бороздки, а какие в сторону малой.

• С помощью MarvinSketch получите изображение основания, выделите красным цветом атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой. Посмотрите, как в файле PDB называются эти атомы, и приведите на html странице резюме следующего вида:

  • В сторону большой бороздки обращены атомы с13.n4,....... (13 - номер выбранной позиции)
  • В сторону малой бороздки обращены атомы ......."

Скопируйте в отчет следующую таблицу. Изучите структуры, полученные данные внесите в таблицу.

	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали (правая или левая)
Шаг спирали (Å)
Число оснований на виток
Ширина большой бороздки
Ширина малой бороздки

При заполнении двух нижних строк указывайте, от фосфата какого нуклеотида измерялась ширина бороздок.

Задание 3 (обязательное, * отмечены упражнения, результаты которых необходимо привести в отчёте)

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

Для анализа структур нуклеиновых кислот будем использовать программы find_pair и analyze. См. подсказки. .

Упр.1.

• Научиться определять торсионные углы нуклеотидов.
• Определить значения торсионных углов в заданной структуре тРНК; определить, на какую из форм ДНК больше всего похожи тяжи этой структуры.

Упр.2. *

• Научиться определять структуру водородных связей между основаниями, в отчете надо привести координаты стеблей.
• Определить номера нуклеотидов, образующих стебли(stems) во вторичной структуре заданной тРНК.
• Определить неканонические пары оснований в структуре тРНК.
• Определить, есть дополнительные водородные связи в тРНК, стабилизирующие ее третичную структуру (для этого следует рассмотреть комплементарные пары, не имеющие отношения к стеблям).

Упр.3.

Научиться находить возможные стекинг-взаимодействия:

• Откройте файл ХХХХ.out с характеристикой структуры тРНК.
• Найдите данные о величине площади "перекрывании" 2-х последовательных пар азотистых оснований. Для пар с наибольшими значениями получите стандартное изображение стекинг-взаимодействия.

Полезно также:

• сравнить изображения с максимальной и минимальной площадью перекрывания;
• проверить взаимную ориентацию оснований с помощью JMol.

Некотрые примеры

from IPython.display import Image
Image("/home/preps/golovin/test/pic1.png")

Или Markdown

• 

import forgi

import matplotlib.pyplot as plt
import forgi.visual.mplotlib as fvm
import forgi
cg = forgi.load_rna("1tra.pdb", allow_many=False)
fvm.plot_rna(cg, text_kwargs={"fontweight":"black"}, lighten=0.7,
             backbone_kwargs={"linewidth":3})
plt.show()

forgi.graph.bulge_graph.

<module 'forgi.graph' from '/home/preps/golovin/miniconda3/envs/na2/lib/python3.9/site-packages/forgi/graph/__init__.py'>

! echo -n "10" | fiber -z /tmp/z.pdb

Structure #15; Twist: -60.0 (degrees); Rise: 7.250 (Angstrom)
Repeating unit: GC:GC
Number of repeats (Dft: 10):