DNA and RNA

Построение структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA

В директории Term3/Practice2 с помощью программы Putty указываем путь к 3DNA, вводя команды:

export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/X3DNA
export X3DNA=/home/preps/golovin/progs/X3DNA

Далее с помощью программы fiber пакета 3DNA строим A-,B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc". Набираем команды:
fiber -a gatc-a.pdb
fiber -b gatc-b.pdb
fiber -z gatc-z.pdb

Получаем файлы gatc-a.pdb, gatc-b.pdb, gatc-z.pdb.

Выделяем разные атомы и химические группировки, используя предопределенные множества RasMol

Задание A- форма
Выделить сахарофосфатный остов ДНК
Выделить все нуклеотиды
Выделить все аденины
Выделить атом N7 во всех гуанинах
Выделить атом N7 только в первом по последовательности гуанине

Получение файлов .pdb по идентификаторам 1FFY и 1R4O

На сайте PDB выполним поиск по идентификаторам 1FFY и 1R4O. Выберем подходящие варианты структур.

На рисунках 1 и 2 представлены структуры тРНК 1FFY и ДНК-белкового комплекса 1R4O соответственно.

Рисунок 1 Структура тРНК 1FFY.

Рисунок 2 Структура 1R4O.

Выбранные варианты структур, представленные выше, сохранены в файлах 1FFY.pdb и 1R4O.pdb.

Проверка заданных структур ДНК и РНК на наличие разрывов

Данные структуры можно рассмотреть в программе RasMol, изучив их на наличие разрывов.
В рассматриваемых структурах 1FFY и 1R4O разрывы отсутствуют. Ниже представлены изображения только нуклеиновой кислоты в проволочной модели для рассматриваемых структур.

Рисунок 3. Нуклеиновая кислота в проволочной модели 1FFY.

Рисунок 4. Нуклеиновая кислота в проволочной модели 1R4O.

Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств RasMol

C помощью программы RasMol откроем файл gatc-b.pdb. Рассмотрим структуру B-формы ДНК и визуально определим большую и малую бороздку. Выберем в структуре цитозин и определим, какие атомы основания явно обращены в сторону большой бороздки, а какие в сторону малой:

Рисунок 5. Цитозин c9 в структуре B-формы ДНК. Красным цветом выделены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой, жетым - все остальные атомы.

Аналогично для A и Z-формы ДНК.

С помощью программы ChemSketch получим изображение рассматриваемого основания. Выделим красным цветом атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой:

Рисунок 6. Цитозин c9. Красным цветом выделены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.

В таблице 1 представлена информация об атомах основания С9.

Форма ДНК В сторону большой бороздки обращены атомы: В сторону малой бороздки обращены атомы: Остальные атомы основания:
A-форма c9.c6, c9.c5, c9.c4, c9.n4 c9.n1, c9.c2, c9.o2 c9.n3
B-форма c9.c6, c9.c5, c9.c4, c9.n4 c9.n1, c9.c2, c9.o2 c9.n3
Z-форма c9.c5, c9.c4, c9.n4 c9.n1, c9.c2, c9.o2 c9.c6, c9.n3
Таблица 1

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК

Результаты изучения структур из файлов gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb с помощью программы RasMol запишем в виде таблицы 2:

A-форма B-форма Z-форма
Тип спирали Правая Правая Левая
Шаг спирали (Â) 28.03 33.76 43.50
Число оснований на виток 11 10 12
Ширина большой бороздки (Â) 16.81
(от цитозина)
17.91
(от аденина)
18.30
(от гуанина)
Ширина малой бороздки (Â) 7.98
(от цитозина)
11.69
(от аденина)
8.68
(от цитозина)
Таблица 2

Ниже приведена иллюстрация измерения ширины большой, малой бороздок и шага спирали в A-форме ДНК:

Рисунок 7. Большая, малая бороздки и шаг спирали A-формы ДНК .

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм ДНК

С помощью команды Settings -> Torsion в RasMol измерим торсионные углы цитозина. В таблице 3 приведены, кроме найденных величин, значения торсионных углов, данные для сравнения (см. в презентации).

α (P - O5') β (O5' - C5') γ (C5' - C4') δ (C4' - C3') ε (C3' - O3') ξ (O3' - P) χ (C1' - N)
A-ДНК -51.74 174.69 41.73 79.31 -147.75 -75.25 -157.18
B-ДНК -29.89 136.62 32.12 143.34 -140.77 -160.20 -97.97
Значения торсионных углов из презентации
A-ДНК -62 173 52 88 или 3 178 -50 -160
B-ДНК -63 171 54 123 или 131 155 -90 -117
Таблица 3

Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA

Для каждого из файлов gatc-a.pdb, gatc-b.pdb и gatc-z.pdb была выполнена следующая команда:

find_pair -t gatc-x.pdb stdout | analyze

В результате для каждой структуры создан ряд файлов с описанием разных её параметров. Например, в файлах gatc-a.out, gatc-b.out и gatc-z.out можно найти значения торсионных углов. Для удобства значения торсионных углов для рассматриваемых структур приведены в файле torsion.txt.

Если сравнить значения соответствующих торсионных углов в структурах A-, B- и Z-форм ДНК, то в наибольшей степени различаются значения следующих углов: у A- и B-форм - δ и χ; у A- и Z-форм - α; у B- и Z-форм - α, ξ и χ. (Cравнения с торсионными углами Z-формы ДНК достаточно условны.)

Так как пакет 3DNA работает только со старым форматом .pdb, используем программу remediator для перевода файлов 1FFY.pdb и 1R4O.pdb в старый формат:

remediator --old "XXXX.pdb" > "XXXX_old.pdb"

Затем применим команды find_pair и analyze (использованные выше).

Значения торсионных углов в структуре тРНК (1FFY_old.pdb) для удобства приведены в файле torsion.txt. Данная структура больше всего похожа на A-форму ДНК, если рассматривать значения торсионных углов.

В заданной ДНК 1R4O нуклеотидами с наиболее отклоняющимися значениями углов являются нуклеотиды с азотистыми основаниями тимин-4 и цитозин-10 из цепи D (см. док. Excel ).

Исследование структуры тРНК 1FFY

Стекинг-взаимодействия

Из файла 1FFY_old.out узнаём, что наибольшая площадь перекрывания пар характерна для третьей секции (Section #0003)
С помощью команд :

 ex_str -3 stacking.pdb step3.pdb
 stack2img -cdolt step3.pdb step3.ps

и программы Ghost_View получаем изображение самого сильного стекинг-взаимодействия:

Рисунок 8. Самое сильное стекинг-взаимодействие с площадью перекрывания 11.95 Å2 .

© Nosikova Kate, 2012