"Исследование структуры тРНК"

  1. Краткое описание структуры в файле 1g59.pdb

    2. В файле приведены координаты атомов следующих молекул глутамил-тРНК синтетазы и тРНК(глутаминовая кислота) из Escherichia coli. Научное название Thermus thermophilus.
    Для исследования была выбрана цепь D, представляющая глутамил-тРНК со следующей последовательностью:
    [501] 5'-
G G C C C C A U C G U C U          
A G C G G U U A G G A C G          
C G G C C C U C U C A A G          
G C C G A A A C G G G G G          
U U C G A U U C C C C C U          
G G G G U C A C C A                      
 - 3' [576]
    В последовательности на 3'-конце имеется триплет CCA, к которому присоединяется аминокислота глутаминовая кислота. Координаты его атомов с 3134 по 3196.

  2. Исследование вторичной структуры

    3. С помощью программы find_pair пакета 3DNA были определены возможные водородные связи между азотистыми основаниями (1G59_Old.out). Используя полученные данные, а также схему строения тРНК (статья из соровского журнала):

     
RMSD of the bases (----- for WC bp, + for isolated bp, x for helix change)

            Strand I                    Strand II          Helix
  1    (0.009) D:.501_:[..G]G-----C[..C]:.572_:D (0.010)     |
  2    (0.010) D:.502_:[..G]G-*---U[..U]:.571_:D (0.016)     |
  3    (0.010) D:.503_:[..C]C-----G[..G]:.570_:D (0.008)     |
  4    (0.009) D:.504_:[..C]C-----G[..G]:.569_:D (0.006)     |
  5    (0.009) D:.505_:[..C]C-----G[..G]:.568_:D (0.009)     |
  6    (0.008) D:.506_:[..C]C-----G[..G]:.567_:D (0.008)     |
  7    (0.009) D:.507_:[..A]Ax----U[..U]:.566_:D (0.015)     |
  8    (0.011) D:.549_:[..G]G-----C[..C]:.565_:D (0.012)     |
  9    (0.008) D:.550_:[..G]G-----C[..C]:.564_:D (0.010)     |
  10   (0.009) D:.551_:[..G]G-----C[..C]:.563_:D (0.014)     |
  11   (0.007) D:.552_:[..G]G-----C[..C]:.562_:D (0.011)     |
  12   (0.011) D:.553_:[..G]G----xC[..C]:.561_:D (0.009)     |
  13   (0.017) D:.554_:[..U]U-*--xA[..A]:.558_:D (0.008)     |
  14   (0.019) D:.555_:[..U]Ux**+xG[..G]:.517_:D (0.022)     x
  15   (0.011) D:.538_:[..A]A-*---C[..C]:.532_:D (0.013)     |
  16   (0.013) D:.539_:[..G]G-----C[..C]:.531_:D (0.008)     |
  17   (0.008) D:.540_:[..G]G-----C[..C]:.530_:D (0.009)     |
  18   (0.010) D:.541_:[..C]C-----G[..G]:.529_:D (0.008)     |
  19   (0.010) D:.542_:[..C]C-----G[..G]:.528_:D (0.006)     |
  20   (0.009) D:.543_:[..G]G-----C[..C]:.527_:D (0.012)     |
  21   (0.009) D:.544_:[..A]Ax*---G[..G]:.526_:D (0.009)     |
  22   (0.010) D:.510_:[..G]G-----C[..C]:.525_:D (0.012)     |
  23   (0.018) D:.511_:[..U]U-----A[..A]:.524_:D (0.009)     |
  24   (0.011) D:.512_:[..C]C-----G[..G]:.523_:D (0.008)     |
  25   (0.016) D:.513_:[..U]U-*--xG[..G]:.522_:D (0.007)     |
  26   (0.010) D:.514_:[..A]A-**-xU[..U]:.508_:D (0.015)     |
  27   (0.010) D:.515_:[..G]Gx**+xC[..C]:.548_:D (0.008)     x
  28   (0.012) D:.518_:[..G]G-----C[..C]:.556_:D (0.032)     +

    Делаем вывод, что акцепторный стебель состоит из участка 501-507 и комплементарного ему участка 566-572.
    Т-стебель из 549-552 и 562-565
    D-стебель из 510-513 и 522-525
    антикодоновый стебель из 539-543 и 527-531

    Рис.1. Вторичная структура глутамил-тРНК из Escherichia coli

    (ввиде остовной модели, где акцепторный стебель выделен красным, Т-стебель - зеленым, D-стебель - синим, антикодоновый - оранжевым.)

    		 Скрипт для получения изображения:
    background white
restrict none 
select *D
wireframe off
cpk off
backbone 100 
define stem_acceptor 501-507, 566-572
define stem_t 549-552, 562-565
define stem_d 510-513, 522-525
define stem_anticodon 539-543, 527-531 
select stem_acceptor
color red
select stem_t
color green 
select stem_d
color blue
select stem_anticodon
color orange 
select not (stem_acceptor, stem_t, stem_d, stem_anticodon)
color grey

    Структуру стеблевых дуплексов поддерживают 19 канонических и 1 (G502-U571) неканоническая пара оснований.

    Неканоническая пара G502 и U571.


    Так же из этих данных узнаем, что в моей тРНК присутствует вариабельная петля (нуклеотиды с 544 до 548), хотя по внешнему виду она больше похожа на связку:

    вариабельная петля черного цвета
    Так же можно отметить отсутствие остатка тимидина в Т-петле и дигидроуридина в D-петле

    *Дополнительное задание.

    антикодон в антикодоновой петле.

    Глутаминовую кислоту кодируют кодоны GAA и GAG. Соответственно антикодоны UUC и CUC. На 534-536 местах антикодоновой петли располагается антикодон CUC. Покажем эти нуклеотиды в шарнирной модели.

  3. Исследование третичной структуры

    4. 1.Исследование возможности стекинг-взаимодействия между основаниями конца акцепторно стебля и начала Т-стебля.
    Стекинг-взаимодействиями называются взаимодействия между комплементарными парами оснований, лежащих друг за другом, образуя "стопки". Стекинг-взаимодействия имеют две основных составляющие: гидрофобные взаимодействия и связь пи-облаков.
    С помощью программы analyze обнаружила 27 возможных стекинг-взаимодействия. Данные получаем из файла.
    Рассмотрим водородные связи в интересующем нас участке: 
      7    (0.009) D:.507_:[..A]Ax----U[..U]:.566_:D (0.015)     |
  8    (0.011) D:.549_:[..G]G-----C[..C]:.565_:D (0.012)     |
    Видим, что нас интересуют 2 взаимодействия A507-G549 и U566-D565. Найдем их в стекинг-взаимодействиях. 
          step      i1-i2        i1-j2        j1-i2        j1-j2        sum
   7 AG/CU  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.14( 0.00)  1.67( 0.48)  1.81( 0.48)
    Используя программы stack2img и Ghost, получаю изображение:

    Из полученного изображения заметно, что нуклеотиды очень слабо перекрываются. Данные это подтверждают: площадь перекрывания равна 1.81 квадратный ангстрем. Площадь этого перекрывания существенно мала, поэтому можно предположить, что такое стекинг-взаимодействие маловероятно существует реально.


    2. Рассмотрим возможность существования дополнительных водородных связей между основаниями D- и Т-петель. Между ними существует 2 водородные связи (U555-G517 неканоническое и G518-C556 каноническое взаимодействия): 
      14   (0.019) D:.555_:[..U]Ux**+xG[..G]:.517_:D (0.022)     x
  28   (0.012) D:.518_:[..G]G-----C[..C]:.556_:D (0.032)     +

    Каноническое взаимодействие G517-U555:


    Неканоническое взаимодействие G518-C556:


  4. Предсказание вторичной структуры тРНК

    5. Предсказание вторичной структуры тРНК путем поиска инвертированных повторов.

    Используем программу einverted из пакета EMBOSS, позволяющую найти инвертированные участки в нуклеотидных последовательностях. Программа базируется на "выравнивании" нуклеотидов относительно комплементраных, по параметрам выравниваются разные части тРНК. Наилучший результат, на мой взгляд, показан при штрафе за гэп равном 12, мин.весе выравнивания 2, весе совпадений 5 и весе несовпадения -5. Найдем возможные комплементарные участки в последовательности исследуемой тРНК, а затем сравним с их описанием, полученным с помощью find_pair. Результаты занесу в таблицу.

    Предсказание вторичной структуры тРНК по алгоритму Зукера.

    Программа mfold из пакета EMBOSS использует алгоритм Зукера.Использую команду mfold SEQ='1G59.fasta.txt' P=10,полученный изображения(несколько вариантов):


    Реальная и предсказанная вторичная структура тРНК из 1g59.pdb

    Участок структуры) Позиции в структуре
    (по результатам find_pair)     		Результаты предсказания
    с помощью einverted     		Результаты предсказания
    по алгоритму Зукера
    Акцепторный стебель 5' 501-507 3'
    5' 566-572 3'
    Всего 7 пар     		предсказано 0 пар 7 пар
    D-стебель 5' 510-513 3'
    5' 522-525 3'
    Всего 4 пары     		предсказано 0 пар 5 пар(лишняя C509-G526)
    T-стебель 5' 549-552 3'
    5' 562-565 3'
    Всего 4 пары     		предсказано 0 пар 5 пар(лишняя G553-U560)
    Антикодоновый стебель 5' 539-543 3'
    5' 527-531 3'
    Всего 5 пар     		предсказано 0 пар 5 пар
    Общее число канонических пар нуклеотидов 19 17 18
    Очевидно, что точнее способы определения вторичной структуры тРНК с помощью программы find_pair и алгоритма Зукера. Алгоритм создает схему строения тРНК, что является более наглядным, чем список водородных связей. При помощи einverted можно предсказать часть вторичной структуры тРНК, все сильно меняется от разных параметров.