Учебный сайт Фоменко Елены

1. A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Нужно 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).
С помощью Рutty, используя ssh, подсоединяемся к kodomo.cmm.msu.ru. В директории Term3/Practice2 вводим следующие команды, чтобы указать путь к 3DNA:

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

С помощью программы fiber пакета 3DNA построила A-, B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc". (Для z-формы повторяющейся единицей выбрана последовательность "gc".) Для начала работы с программой fiber запустила команду:

fiber -h

Полученные файлы:

gatc-a.pdb
gatc-b.pdb
gatc-z.pdb

Были использованы команды:

fiber -a gatc-a.pdb
fiber -b gatc-b.pdb
fiber -z gatc-z.pdb
Repeating unit: gatc
Number of repeats: 10

2. Средства RasMol для работы со структурами нуклеиновых кислот.

Упр.1. Нужно научиться выделять разные атомы и химические группировки, используя предопределенные множества RasMol. Выделены сахарофосфатный остов ДНК, нуклеотиды (аденин-красным, гуанин-зеленым, цитозин-розовым, тимин-синим), аденины, атом №7 во всех гуанинах.
Вот скрипт.

А-форма.
Сахарофосфатный остов:

Выделены нуклеотиды:

Выделены аденины:

Выделены гуанины и атомы №7 в них:

B-форма.
Сахарофосфатный остов:

Выделены нуклеотиды:

Выделены аденины:

Выделены гуанины и атомы №7 в них:

Z-форма.
Сахарофосфатный остов:

Выделены нуклеотиды:

Аденинов тут нет и быть не может:

Выделены гуанины и атомы №7 в них:

Упр. 2

На сайте PDB нашла структуры 1qrt и 1ksx. Сохранила изображения структур.

1qrt (Glutaminyl-tRNA synthetase mutant D235G complexed with glutamine transfer RNA):

1ksx (Assembly of the Papillomavirus Replication Initiation Complex)

Сохранила в рабочей директории файлы pdb: 1QRT.pdb, 1KSX.pdb.

Упр.3

Нужно проверить ДНК и РНК на наличие разрывов. Получаем изображения только нуклеиновых кислот в проволочной модели и смотрим.

1qrt:

1ksx:

Разрывов не обнаружено!

Чтобы сохранить координаты атомов только ДНК и РНК, получив изображения, представленные выше, используем команду save <имя файла.pdb>. Получаем: 1QRTN.pdb и 1KSXN.pdb.

3. Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств RasMol

Упр.1

Нужно научиться находить большие и малые бороздки. Открываем в RasMol файл gatc-b.pdb, полученный при выполнении задания 1. Рассматриваем структуру, определяем большие и малые бороздки. Выбираем цитозин №12, определяем направление его атомов. На изображении: атомы, обращенные в сторону большой бороздки, окрашены красным, обращенные в сторону малой бороздки - синим.

С помощью ChemSketch получаем изображение основания:

В сторону большой бороздки обращены атомы с12.c5, c12.c6, c12.с4, c12.n4
В сторону малой бороздки обращены атомы c12.c2, c12.n1, c12.o2 Остальные атомы основания не имеют четкого направления. Посмотрим, как направлены те же атомы в A- и Z-структурах.

направление A Z
в сторону малой бороздки c12.c5, c12.c4, c12.n4 c6.n1, c6.c2, c6.o2

в сторону большой бороздки c12.n1, c12.c2, c12.o2, c12.n3 c6.c5, c6.c4, c6.n4

не имеют четкого направления c12.c6 c6.c6, c6.n3

Упр.2

Сравниваем основные спиральные параметры разных форм ДНК.

A-форма B-форма Z-форма

Тип спирали (правая или левая) правая правая левая

Шаг спирали (A) 28,03 33,75 43,50

Число оснований на виток 11 10 12

Ширина большой бороздки 16,81 (T35B.P - C8A.P) 17,91 (C28B.P - G9A.P) 18,30 (C6A.P - C12B.P)

Ширина малой бороздки 7,98 (A10A.P - G25B.P) 11,69 (G13A.P - C32B.P) 8,68 (G17B.P - G9A.P)

Изображения измерений:

A-форма:

B-форма:

Z-форма:

Упр.3

Нужно cравнить торсионные углы в структурах А- и В-форм.

Таблица по результатам измерений:

α (P - O5') β (O5' - C5') γ (C5' - C4') δ (C4' - C3') ε (C3' - O3') ξ (O3' - P) χ (C1' - N)

A-форма -51.67 174.79 41.73 79.11 -147.75 -75.15 -157.18

B-форма -29.89 136.32 31.17 143.34 -140.77 -160.50 -97.97

Значения торсионных углов из презентации:

A-форма -62 173 52 88 или 3 178 -50 -160

B-форма -63 171 54 123 или 131 155 -90 -117

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

Упр.1

Нужно научиться определять торсионные углы нуклеотидов.

Для анализа структур нуклеиновых кислот будем использовать программы find_pair и analyze. Выполняем команды:

     find_pair -t gatc-a.pdb stdout | analyze
     find_pair -t gatc-b.pdb stdout | analyze
     find_pair -t gatc-x.pdb stdout | analyze

В рабочей директории получаем файлы с описанием разных параметров структуры, в файле gatc-x.out можно найти описание водородных связей, значения всех торсионных углов, ширину малой и большой бороздки.

В этом файле приведены данные о торсионных углах в каждой из структур. В наибольшей степени отличаются значения углов delta, zeta и chi.

Поскольку пакет 3DNA пока работает только со старым форматом PDB, для перевода файлов в старый формат используем программу remediator, установленную на kodomo:

        remediator --old ''1QRT.pdb'' > ''1qrt_old.pdb
        remediator --old ''1KSX.pdb'' > ''1ksx_old.pdb

Далее воспользуемся программами find_pair и analyze. Значения торсионных углов в заданной структуре тРНК - в отдельноом файле. С помощью Excel определяем среднее значение каждого из торсионных углов ДНК (краевые нуклеотиды не рассматриваем), номер самого "деформированного" нуклеотида. Результаты - в таблице Excel.

Упр.2

Учимся определять структуру водородных связей.

Определяем номера нуклеотидов, образующих стебли во вторичной структуре тРНК. Акцепторный стебель образован комплементарными участками 2-7 и 71-66.
T-стебель образован участками 49-53 и 65-61.
Антикодоновый стебель - участками 37-44 и 33-26.
D-стебель - участками 10-12 и 25-23.

Найдены дополнительные водородные связи, стабилизирующие ее третичную структуру:

  
   B:..38_:[..U]U-*---U[..U]:..32_:B 
   B:..44_:[..C]Cx*---A[..A]:..26_:B
   B:..13_:[..A]A-**+xA[..A]:..45_:B
   B:..46_:[..U]U-**+-U[..U]:..47_:B
   B:..19_:[..G]Gx---xC[..C]:..56_:B
   B:..14_:[..A]A-*--xU[..U]:...8_:B
   B:..15_:[..G]Gx**+xC[..C]:..48_:B
   B:..19_:[..G]Gx---xC[..C]:..56_:B
   B:..54_:[..U]U-*--xA[..A]:..58_:B
   B:..55_:[..U]Ux**+xG[..G]:..18_:B

Из них 5 - неканонические (2 U-U, C-A, A-A, U-G).

Упр.3

Учимся находить возможные стекинг-взаимодействия.

В файле 1qrt_old.out находим таблицу с информацией о перекрывании последовательных пар оснований:

   step      i1-i2        i1-j2        j1-i2        j1-j2        sum
   1 GG/CC  4.24( 2.95)  0.00( 0.00)  0.19( 0.00)  0.39( 0.00)  4.82( 2.95)
   2 GG/CC  3.73( 2.42)  0.00( 0.00)  0.44( 0.00)  0.15( 0.00)  4.32( 2.42)
   3 GG/CC  3.92( 2.54)  0.00( 0.00)  0.41( 0.00)  0.00( 0.00)  4.32( 2.54)
   4 GU/AC  6.54( 3.63)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  4.14( 2.56) 10.67( 6.19)
   5 UA/UA  0.99( 0.09)  0.00( 0.00)  1.29( 1.04)  0.16( 0.00)  2.43( 1.13)
   6 AC/GU  1.82( 0.78)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.19( 3.15)  8.01( 3.93)
   7 CG/CG  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.16( 3.35)  0.00( 0.00)  6.16( 3.35)
   8 GA/UC  4.25( 2.45)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  3.19( 0.93)  7.44( 3.38)
   9 AG/CU  3.91( 3.53)  0.00( 0.00)  0.14( 0.00)  0.01( 0.00)  4.07( 3.53)
  10 GG/CC  2.66( 1.16)  0.00( 0.00)  1.92( 0.11)  0.00( 0.00)  4.58( 1.27)
  11 GU/AC  6.35( 3.70)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  5.74( 2.68) 12.09( 6.38)
  12 UU/GA  3.81( 1.83)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  4.48( 2.48)  8.29( 4.31)
  13 UA/UG  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)
  14 AU/UU  4.76( 1.35)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  5.85( 3.17) 10.62( 4.52)
  15 UU/AU  2.07( 0.74)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  5.12( 3.41)  7.19( 4.15)
  16 UC/GA  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  2.71( 1.19)  2.71( 1.19)
  17 CC/GG  0.01( 0.00)  0.00( 0.00)  1.39( 0.00)  3.13( 1.62)  4.53( 1.62)
  18 CG/CG  0.59( 0.00)  0.00( 0.00)  4.11( 1.37)  0.40( 0.00)  5.10( 1.37)
  19 GG/CC  1.95( 0.57)  0.00( 0.00)  0.93( 0.00)  0.16( 0.00)  3.04( 0.57)
  20 GC/AC  6.70( 3.73)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  5.56( 3.63) 12.26( 7.36)
  21 CG/CA  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.15( 0.00)  1.40( 0.80)  1.55( 0.80)
  22 GC/GC  4.71( 1.81)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.10( 3.04) 10.81( 4.85)
  23 CC/GG  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.76( 0.00)  2.89( 1.35)  3.64( 1.35)
  24 CA/AG  2.40( 0.85)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  2.40( 0.85)
  25 AA/UA  0.00( 0.00)  1.71( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  1.71( 0.00)
  26 AG/CU  4.24( 1.52)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  4.24( 1.52)
  27 GG/CC  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)
  28 GU/UC  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)

Выбираем пару с наибольшим значением площади перекрывания:

20 GC/AC  6.70( 3.73)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  5.56( 3.63) 12.26( 7.36)

Далее в файле stacking.pdb находим номер этой структуры и вырезаем ее командой

ex_str -20 stacking.pdb step20.pdb

Получаем изображение командой

stack2img -cdolt step20.pdb step20.ps

направление	A	Z
в сторону малой бороздки	c12.c5, c12.c4, c12.n4	c6.n1, c6.c2, c6.o2
в сторону большой бороздки	c12.n1, c12.c2, c12.o2, c12.n3	c6.c5, c6.c4, c6.n4
не имеют четкого направления	c12.c6	c6.c6, c6.n3

	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали (правая или левая)	правая	правая	левая
Шаг спирали (A)	28,03	33,75	43,50
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки	16,81 (T35B.P - C8A.P)	17,91 (C28B.P - G9A.P)	18,30 (C6A.P - C12B.P)
Ширина малой бороздки	7,98 (A10A.P - G25B.P)	11,69 (G13A.P - C32B.P)	8,68 (G17B.P - G9A.P)

	α (P - O5')	β (O5' - C5')	γ (C5' - C4')	δ (C4' - C3')	ε (C3' - O3')	ξ (O3' - P)	χ (C1' - N)
A-форма	-51.67	174.79	41.73	79.11	-147.75	-75.15	-157.18
B-форма	-29.89	136.32	31.17	143.34	-140.77	-160.50	-97.97

A-форма	-62	173	52	88 или 3	178	-50	-160
B-форма	-63	171	54	123 или 131	155	-90	-117