A- и B-формы ДНК

1. С помощью программы fiber пакета 3DNA построены A- и B-формы дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого — 4 раза повторенная последовательность "gatc".

   Команды:

   fiber -a gatc-a.pdb
    
   fiber -b gatc-b.pdb

   далее - с клавиатуры введена последовательность "gatc"; повторение фрагмента - 4 раза. Структурa дуплекса в А-форме сохранена в файле gatc-a.pdb, а структурa дуплекса в В-форме - в файле gatc-b.pdb.

2. Следующий этап - изучение полученных файлов в RasMol (с использованием указаний). Результаты занесены в таблицу:

   	A-форма	B-форма	Файл dna48.pdb
   Тип спирали (правая или левая)	правая	правая	правая
   Шаг спирали (Å)	28.02	33.75	31.20
   Число оснований на виток	11	10	10
   Ширина большой бороздки	7.98	17.21	19.42
   Ширина малой бороздки	16.80	11.69	11.78

   A-форма:
   для малой бороздки измерялось расстояние от атома фосфора 3ого нуклеотида - тимидиловой кислоты (Т3; цепь *а) до последнего дезоксирибонуклеотида противоположной цепочки - 2'-дезоксицитидин-5'-фосфата (32С; цепь *b) [ для "аналогии" с В-формой можно и от G5 до А30];
   для большой бороздки измерялось расстояние от атома фосфора 1ого 2'-дезоксигуанозин-5'-фосфата (G1; цепь *а) до дезоксирибонуклеотида противоположной цепочки - 2'-дезоксиаденозин-5'-фосфата (А26; цепь *b).

   B-форма:
   для малой бороздки измерялось расстояние от атома фосфора 5ого 2'-дезоксигуанозин-5'-фосфата (G5; цепь *а) до последнего дезоксирибонуклеотида противоположной цепочки - 2'-дезоксицитидин-5'-фосфата (32С; цепь *b);
   для большой бороздки измерялось расстояние от атома фосфора 1ого 2'-дезоксигуанозин-5'-фосфата (G1; цепь *а) до дезоксирибонуклеотида противоположной цепочки - 2'-дезоксигуанозин-5'-фосфата (G29; цепь *b).

3. Из архива P:\y05\Term3\3DNA\DNAs.zip скопирован файл dna48.pdb. Структура изучена в RasMol; результаты приведены в таблице (см. выше).

   Замечания:

   • интересно, что в этом pdb-файле 2 цепи ДНК "неразличимы" (т.е. у обеих - одинаковое имя - "цепь а"). Почему так?..
   • Последовательность одной цепи 5'-cgctggaaatttccagc-3' (всего 17 нуклеотидов); соответственно, последовательность 2ой цепи - такая же: 5'-cgctggaaatttccagc-3'. Т.o. последовательность со 2 нуклеотида по 17 - палиндром. Возможно, этим и объясняется "одноименность" обеих цепей.
   • Для удобства определения шага спирали и пр. был создан pdb-файл (с помощью программы Swiss-PdbViewer), в котором цепочки различимы (а- и b- соответственно).
   • Для определения шага спирали я оставила только цепь а, затем - "вид с торца". Интересно, что все атомы фосфора совместить не удается ("идеального кольца" не получается, происходит некоторый сдвиг атомов фосфора относительно друг друга; вообще, "кривоватый дуплекс"... Возможно, слабый сдвиг кждой пары оснований приводит к улучшению стэкинг-взаимодействий). Поступаем так: совмещаем атомы фосфора дезоксирибонуклеотидов G2 и T12. Число оснований на виток - 10 штук. А вот с шагом спирали происходит следующее: расстояние G2-T12 составляет 31.20Å, расстояние С3-С13 составляет 31.58Å, расстояние Т4 и С14 составляет 32.57Å и так вот постепенно это расстояние изменяется... Какого размера шаг спирали - не совсем понятно. В таблице - 31.20Å - расстояние G2-T12 (вроде как "точка отсчета" получилась).
   • Ширина бороздок: опять же, на протяжении всей структуры эта величина непостоянна. Про малую бороздку: наименьшие значения - на участке, содержащем тимидиловую кислоту (ttt).

     "Ширина бороздки определена для конкретного нуклеотида в достаточно регулярной структуре" - эти и пользуюсь :-). Малая бороздка: расстояние определено между А9 (цепь *а) и С14 (цепь *b). Большая бороздка: расстояние определено между А9 (цепь *а) и А9 (цепь *b).

   • В целом, характеристики данной структуры ближе к В-форме ДНК.

4. Проведен анализ всех трёх структур ДНК с использованием программ find_pair и analyze. Пример используемой команды:

   find_pair -t gatc-b.pdb stdout | analyze

   Полученные файлы: gatc-a.out, gatc-b.out, dna48.out. Вот информация о конформационно важных торсионых углах (α, β, γ, δ, ε, ζ, χ):

         alpha:   O3'(i-1)-P-O5'-C5'
         beta:    P-O5'-C5'-C4'
         gamma:   O5'-C5'-C4'-C3'
         delta:   C5'-C4'-C3'-O3'
         epsilon: C4'-C3'-O3'-P(i+1)
         zeta:    C3'-O3'-P(i+1)-O5'(i+1)
   
         chi for pyrimidines(Y): O4'-C1'-N1-C2
             chi for purines(R): O4'-C1'-N9-C4

   A-форма	base alpha beta gamma delta epsilon zeta chi 1 G --- 174.8 41.7 79.0 -147.8 -75.1 -157.2 2 A -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 3 T -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 4 C -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 5 G -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 6 A -51.7 174.8 41.7 79.0 -147.8 -75.1 -157.2 7 T -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 8 C -51.7 174.8 41.7 79.0 -147.8 -75.0 -157.2 9 G -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 10 A -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 11 T -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 12 C -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.7 -75.1 -157.2 13 G -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 14 A -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 15 T -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2 16 C -51.7 174.8 41.7 79.1 --- --- -157.2
   B-форма	base alpha beta gamma delta epsilon zeta chi 1 G --- 136.4 31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0 2 A -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 3 T -29.9 136.3 31.1 143.3 -140.8 -160.5 -97.9 4 C -29.9 136.4 31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0 5 G -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 6 A -29.9 136.4 31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0 7 T -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 8 C -29.9 136.3 31.1 143.3 -140.8 -160.5 -97.9 9 G -29.9 136.4 31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0 10 A -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 11 T -29.9 136.4 31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0 12 C -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 13 G -29.9 136.3 31.1 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 14 A -29.9 136.4 31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0 15 T -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0 16 C -29.9 136.4 31.1 143.4 --- --- -98.0
   dna48	base alpha beta gamma delta epsilon zeta chi 1 G --- 153.5 60.1 146.7 -175.8 -101.3 -101.3 2 C -68.7 -179.8 48.5 113.7 174.7 -96.0 -117.6 3 T -49.1 178.9 49.6 131.1 -175.2 -104.7 -108.3 4 G -58.8 179.3 50.0 140.9 -171.4 -91.2 -94.2 5 G -60.0 165.0 44.2 133.2 -84.7 149.3 -91.0 6 A -85.7 155.6 43.0 135.6 -179.3 -85.7 -103.4 7 A -61.3 179.4 45.0 133.4 -167.6 -134.9 -100.7 8 A -40.8 160.3 43.2 134.3 -175.3 -101.4 -114.0 9 T -46.1 172.0 40.1 120.9 178.9 -105.1 -116.4 10 T -43.3 172.1 46.1 126.0 179.3 -99.6 -114.9 11 T -52.7 178.0 48.2 129.4 -168.5 -99.4 -109.6 12 C -50.0 168.5 42.4 116.5 -169.1 -108.1 -110.8 13 C -57.4 167.5 49.7 147.4 -105.5 166.9 -95.6 14 A -65.2 148.1 42.9 139.9 -178.6 -78.5 -100.7 15 G -75.8 177.9 48.4 112.7 178.4 -97.1 -105.8 16 C -56.0 170.3 51.7 120.5 --- --- -120.8

   • Сравнение: в случае "правильных" дуплексов (А-, В-формы) значения углов α, ε, ζ одинаковы для каждой из структур. Для А-формы также одинаковы значения углов β, γ; значений для углов ζ, δ - по 2 значения. Для В-формы: углы β, γ, δ и χ имеют по 2 разных значения. Практически в два раза (и более) у А- и В-форм отличаются углы α, δ, ζ, χ.
     Что касается структуры из файла dna48, то здесь значения весьма различны даже в пределах одного столбца (вплоть до знаков для углов ε, ζ).
     Набор конформационно важных торсионых углах (α, β, γ, δ, ε, ζ, χ) индивидуален для каждой структуры и определяет форму двойной спирали (соответственно, ее "закрученность" и пр.).

   Что касается информации, выдаваемой программой analyze: при выполнении предыдущей части задания изучался, например для В-формы, файл gatc-b.out. Этот файл содержит массу полезной информации о структурах: число спиралей, о комплементарных основаниях, о водородных связях (соответственно!), для цепей ДНК указывается направление (5' - 3'), расположение комплементарных пар в относительной системе координат, характеристика дуплекса в целом (тип спирали; длина; классификация "двунуклеотидных шагов" спирали с указанием близкой формы: А-, В-формы, другие...; характеристики большой/малой бороздок, информация о торсионных углах; информация о конформации дезоксирибозы (например, в случае В-формы, это C2'-endo; информация о радиусе спирали) и др.).
   Наиболее интересной эта информация оказалась для исследуемой структуры - dna48.
   Помимо этого файла, analyze выдает еще несколько. Они содержат информацию о стэкинг взаимодействиях, о координатах расположения пар нуклеотидов (параметры различные: CompDNA, Curves (для бороздок), FreeHelix, NGEOM, NUPARM и др.), параметрах "двунуклеотидного шага".

5. С использованием программы pdb2img, получено изображение 3х структур в виде стопочных моделей. Предоставлены как вид сверху, так и вид сбоку. Команды (пример):

   pdb2img -bcu gatc-a.pdb a.ps
    
   pdb2img -bcu a_r.pdb a_r.ps

   , где файл a_r.pdb ("вид сбоку") - результат использования программы rotate_mol:

   rotate_mol -b gatc-a.pdb a_r.pdb

   Результаты оформлены в таблицу:

	Вид сверху	Вид сбоку
A-форма
B-форма
dna48