Анализ A-, B- и Z-форм ДНК и стеблей тРНК
С помощью программы fiber пакета 3DNA я построила A-, B- и Z-формы ДНК, состоящие из повторяющейся последовательности GATC (У Z-формы - GC). В результате я получила файлы gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb. Ниже представлены изображения трёх форм ДНК в программе Jmol A, B и Z соответственно.
Далее на примере структуры B-формы ДНК в программе Jmol я определила, какие атомы азотистого основания аденина смотрят в сторону большой бороздки, а какие - в сторому малой бороздки. Изображения представленные ниже получены путём поворота фрагмента ДНК на 180°. белой стрелкой обозначены большая и малая бороздки, аденин окрашен по атомам.
С помощью программы MarvinSketch я получила следующее изображение, на котором красным цветом отмечены атомы аденина явно смотрящие в сторону большой бороздки, а синим - в сторону малой бороздки.
Если сравнить положения атомов аденина (6:A) по отношению к бороздкам в разных формах ДНК, то можно получить следующую таблицу. Для Z-формы приведены данные по гуанину (5:A).
| Таблица 1. Сравнение обращения атомов в стороны бороздок у разных форм ДНК | |||
| Форма ДНК | A | B | Z |
| В сторону большой бороздки обращены атомы | N1, C2, N3, C4 | C5, C6, N6, N7, C8 | C4, C5, C6, O6, N7, C8, N9 |
| В сторону малой бороздки обращены атомы | N6, N7, C8, N9 | C2, N3, C4, N9 | C2, N2 |
| Остальные атомы основания | C5, C6 | N1 | N1, N3 |
С помощью программы Jmol я также сравнила основные спиральные параметры разных форм ДНК. Результаты исследования приведены в таблице 2.
| Таблица 2. Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК | |||
| Форма ДНК | A | B | Z |
| Тип спирали | правая | правая | левая |
| Шаг спирали (Å) | 28.03 | 33.75 | 43.50 |
| Число оснований на виток | 11 | 10 | 12 |
| Ширина большой бороздки | 1.681 нм | 1.721 нм | 1.830 нм |
| Ширина малой бороздки | 0.798 нм | 1.169 нм | 0.720 |
Для A-формы ширина большой бороздки измерялась от фосфата C (8 нуклеотид, цепь A) до фосфата T (35 нуклеотид, цепь В); ширина малой бороздки - от фосфата G (9 нуклеотид, цепь A) до фосфата A (26 нуклеотид, цепь B).
Для B-формы ширина большой бороздки измерялась от фосфата C (8 нуклеотид, цепь A) до фосфата A (30 нуклеотид, цепь В); ширина малой бороздки - от фосфата A (6 нуклеотид, цепь A) до фосфата T (39 нуклеотид, цепь B).
Для Z-формы ширина большой бороздки измерялась от фосфата C (12 нуклеотид, цепь A) до фосфата C (26 нуклеотид, цепь В); ширина малой бороздки - от фосфата G (9 нуклеотид, цепь A) до фосфата G (35 нуклеотид, цепь B).
С помощью команды Torsion в программе Jmol я измерила торсионные углы нуклеотида, содержащего аденин, в A- и B-формах ДНК. Результаты приведены в таблице 3.
| Таблица 3. Сравнение торсионных углов нуклеотида, содержащего аденин, в разных формах ДНК | |||||||
| Мои значения | |||||||
| Форма ДНК | α | β | γ | δ | ε | ζ | χ |
| А | 64.1 | 174.8 | 41.7 | 79.0 | -147.8 | -75.1 | -157.2 |
| В | 85.9 | 136.4 | 31.1 | 143.4 | 140.8 | -160.5 | -98.0 |
| Значения из презентации | |||||||
| А | 62 | 173 | 52 | 88 | 178 | -50 | -160 |
| В | 63 | 171 | 54 | 131 | 155 | -90 | -117 |
С помощью программ find_pair и analyze пакета 3DNA я сравнила значения торсионных углов в структурах А-, В- и Z-форм ДНК и тРНК с идентификатором 1EHZ. Для тРНК приведены средние значения торсионных углов. Результаты представлены в таблице 4.
| Таблица 4. Сравнение значений торсионных углов в разных формах ДНК и тРНК | |||||||
| Угол | α | β | γ | δ | ε | ζ | χ |
| А-ДНК | -51.7 | 174.8 | 41.7 | 79.0 | -147.8 | -75.1 | -157.2 |
| В-ДНК | -29.9 | 136.4 | 31.1 | 143.4 | -140.8 | -160.5 | -98.0 |
| Z-ДНК (С) | -139.5 | -136.8 | 50.9 | 137.6 | -96.5 | 82.0 | -154.3 |
| Z-ДНК (G) | 51.9 | 179.0 | -173.8 | 94.9 | -103.6 | -64.8 | 58.7 |
| тРНК | -61.8 | 167.4 | 56.8 | 87.7 | -142.4 | -76.1 | -151.3 |
Из таблицы 4 видно, что значения таких углов, как α, δ, ζ и χ в наибольшей степени отличаются у разных форм ДНК, из чего можно предположить, что их изменения наименее затруднены.
Если сравнить значения средних торсионных углов данной тРНК со значениями углов разных форм ДНК, то выходит, что тРНК с идентификатором 1EHZ больше всехо похожа на A-форму ДНК. Данная тРНК переносит аминокислоту фенилаланин в клетках дрожжей. Из-за наличия у РНК 2'-OH группы, для неё характерна А конформация, схожая с таковой у ДНК. Ещё важно отметить, что А-форма ДНК необходима в тех процессах, где образуются ДНК-РНК комплексы.
Сравним теперь средние значения торсионных углов данной тРНК (PDB ID 1HEZ) и ДНК (PDB ID 1D5Y), полученные с помощью программы Excel. Результаты представлены в таблице 5.
| Таблица 5. Сравнение средних значений торсионных углов в данных ДНК и тРНК | |||||||
| Угол | α | β | γ | δ | ε | ζ | χ |
| ДНК | -52.6 | 154.6 и -162.8 | 44.8 | 139.9 | 171.6 и -162.7 | -113.3 | -106.9 |
| тРНК | 115.2 и -61.8 | 167.4 и -167.1 | 56.8 | 87.7 | -142.4 | -76.1 | -151.3 |
| Номера самых отклоняющихся от нормы нуклеотидов, (значения торсионных углов) | |||||||
| ДНК | 36 C (9.7), 20 C (-113.6) | 36 C (102.6) | 22 T (62.0) | 40 G (153.0) | 28 G (-68.8), 38 A (-179.8) | 28 G (162.4) | 28 G (-75.5) |
| тРНК | 23 G (177.8) | 29 U (91.2) | 26 C (178.6), 26 G (179.3), 28 C (161.5), 27 A (-114.6) | 13 A (156.7) | 29 U (-61.8) | 28 C (75.6), 14 G (-179.1) | 23 G (169.6) |
По средним значениям торсионных углов можно предположить, что исследуемый фрагмент молекулы ДНК по структуре соответствует B-форме. Также при подробном изучении видно, что нуклеотиды, у которых значения торсионных углов в заметной степени отличаются от средних значений, чаще встречаются в РНК, чем в ДНК.
При дальнейшем анализе файла 1hez_old.out, полученного в результате работы программ find_pair и analyze пакета 3DNA с PDB структурой тРНК, и с помощью программы Jmol мне удалось обнаружить следующее:
1) 1 стебель тРНК образован нуклеотидами: 5'-1:7-66:72-3' (акцепторный стебель тРНК).
2 стебель: 5'-10:13-22:25-3' (D стебель).
3 стебель: 5'-27:31-39:43-3' (антикодоновый стебель).
4 стебель: 5'-49:53-61:65-3' (T стебель).
Запись 1:7-66:72 означает, что с 1 по 7 нуклеотиды образуют стебель за счёт водородных связей с нуклеотидами с 66 по 72.
2) В структуре тРНК содержится 10 неканонических пар: G-U (2связи), T-1MA (2 связи), PSU-G (2 связи), A-U (1 связь), A-OMC (1 связь), PSU-A (1 связь), A-M2G (2 связи), A-U (2 связи), G-C (2 связи), H2U-U (3 связи).
3) В тРНК также есть дополнительные водородные связи, стабилизирующие её третичную структуру: 8 U - 14 A, 15 G - 48 C, 16 H2U - 59 U, 18 G - 55 PSU, 19 G - 56 C, 26 M2G - 44 A, 32 OMC - 38 A, 33 U - 36 A, 54 T - 58 1MA.
Далее в файле 1ehz_old.pdb я проанализировала данные площади перекрывания 2 последовательных пар азотистых оснований (overlap area). Суммарное наибольшее значение этой величины обнаружилось у 13 tP/Ga (14.29 Å^2). Этот порядковый номер таблицы соответствует парам 54 T - 58 1MA, 55 PSU - 18 G. Для них было получено следующее стандартное изображение стэкинг-взаимодействия.
Для сравнения у пары 27 AG/CU площадь перекрывания составляет 2.31 Å^2. А изображение выглядит так:
