Структура нуклеиновых кислот

A-, B- и Z-формы ДНК

Рис.1. А-форма ДНК

Рис.2. В-форма ДНК

Рис.3. Z-форма ДНК

С помощью инструментов пакета 3DNA были построены модели структур A, B и Z форм ДНК. Для этого после подключения к серверу Kodomo и перехода в рабочую директорию были введены следующие команды для указания пути к 3DNA:

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

Командой fiber строились различные формы ДНК последовательности GATC, повторяющейся 5 раз; синтаксис команды:

fiber -a gatc-a.pdb (Файл gatc-a.pdb)

fiber -b gatc-b.pdb (Файл gatc-b.pdb)

fiber -z gatc-z.pdb (Файл gatc-z.pdb)

На рисунках 1, 2 и 3 представлены формы ДНК с торца и сбоку.
Для тренировки работы с ДНК в JMol были выделены и покрашены различные химические группировки A-формы ДНК, полученой в предыдущем задании (см. рис. 2):

Рис. 2. Выделение химических группировок ДНК. A - покрашены все нуклеотиды; B - выделены все аденины; С - покрашены атомы N7 во всех гуанинах; D - выделен сахарофосфатный остов ДНК.

Для дальнейшей работы с РНК, ДНК и комплексами из БД PDB были скачаны pdb-файлы, которые затем редактировались (удалялись лишние цепи, посторонние молекулы). Результатом работы стали следующие файлы:

• 1N77.pdb - тРНК в комплексе с белком, а также 1N77_onlyRNA.pdb - без белков
• 1A02.pdb - ДНК-белковый комплекс, а также 1A02_onlyDNA.pdb - без белков

Как выяснилось при анализе pdb-файлов в JMol, разрывов ни в ДНК, ни в РНК нет. Единственное, что можно здесь отметить - РНК присутствовала в комплексе с АТФ, которая, конечно же, нуклеотидом является, но как часть РНК ее рассматривать нельзя (рис. 4). По всей видимости, АТФ - это кофермент глутамил-тРНК-синтетазы.

Рис. 4. Структуры ДНК (А) и РНК (B) из комплексов с белками. Цвета отличают нуклеотиды, принадлежащие разным цепям; АТФ из B формально принадлежит цепи белковой молекулы.

Сравнение параметров форм ДНК

Табл. 1. Сравнение параметров различных форм ДНК А-форма B-форма Z-форма Тип спирали правая правая левая Шаг спирали (Å) 28,03 33,75 43,5 Число оснований на виток 11 10 Ширина большой бороздки 7,98 (от фосфора 8 нуклеотида) 17,21 (от фосфора 8 нуклеотида) Ширина малой бороздки 16,8 (от фосфора 8 нуклеотида) 11,68 (от фосфора 8 нуклеотида)
	Рис. 6. Иллюстрация к таблице 1. Черным цветом отмечены атомы фосфора; расстояние между ними считалось за шаг спирали; для формы А и В разными цветами покрашены разные типы нуклеотидов.

Следует отметить, что необычная организация А-формы ДНК приводит к тому, что малая бороздка становится шире большой бороздки.

Табл. 2. Сравнение торсионных углов

Источники α β γ δ ε ζ χ A-форма (pdb-файл) 64,1 174,8 41,7 79,1 169,1 -75,5 -158,5 A-форма (презентация) 62 173 52 88/3 178 -50 -160 B-форма (pdb-файл) 85,9 136,4 31,1 143,3 105,8 -44,7 145,5 B-форма (презентация) 63 171 54 123/131 155 -90 -117

Анализ последовательностей с помощью программ find_pair и analyze.

Для трех форм ДНК и последовательности ДНК, полученной ранее, были определены средние значения торсионных углов. Для этого результаты работы команды find_pair подавались на вход команде analyze. Предварительно pdb-файлы переводились в старый формат, с которым работает команда find_pair.
Например,

remediator --old 1A02_onlyDNA.pdb > 1A02_onlyDNA__old.pdb
find_pair -t 1A02_onlyDNA_old.pdb stdout | analyze

В результате, среди прочих файлов, получался файл 1A02_onlyDNA_old.out, внутри которго содержались значения торсионных углов для каждого нуклеотида. Средние значения углов для всех последовательностей подсчитывались в Excel (файл можно скачать здесь).

Табл. 3. Значения торсионных углов

Источники α β γ δ ε ζ χ A-форма (pdb-файл) -51,7 174,8 41,7 79,08 -147,7947368 -75,0947 -157,2 B-форма (pdb-файл) -29,9 136,4 31,14 143,34 -140,8 -160,5 -97,99 Z-форма (pdb-файл) -34,628125 -2,4375 21,825 150,259375 -55,15806452 -108,6870968 -96,86875 1A02_onlyDNA_old.pdb -54,41 21,12 -61,47 116,25 -100,4444444 0,422222222 -47,8

Среди последовательности из файла 1A02_onlyDNA_old.pdb у части нуклеотидов наблюдалось очень большое отклонение значений торсионных углов от среднего значения (например, 13-15 нуклеотиды в цепи А). Прямой зависимости я не наблюдаю, возможно лишь, на мой взгляд, это следствие большого сосредоточения на одной цепи пуринов, а на другой - пиримидинов.

Вторичная структура тРНК

Вторичная структура тРНК из файла 1N77_onlyRNA_old.pdb имеет следующие особенности:

• Нуклеотиды нумеруются с 501 по 576, причем участок [501-519] образует водородные связи с участком [556-572], формируя спираль, внутри которой отличают:
• [501-506] & [567-572] - акцепторный стебель
• [549-552] & [562-565] - дигидроуридиновый стебель
• [539-543] & [527-531] - антикодоновый стебель
• [510-512] & [523-526] - Т-стебель
• В последовательности есть неканонические, т.н. минорые нуклеотиды, водородные связи с которыми не являются Уотсон-Криковскими. Кроме того, мажорные нуклеотиды также могут взаимодействовать не по Уотсон-Криковскиму типу. Здесь приведена картинка, иллюстрирующая информацию об этих необычных водородных связях.
• Стабилизирующие структуру водородные связи образуются между следующими нуклетидами: {507}&{566}, [553-538]&{532, 558, 561}, {544}&{526}, [513-519]&{556, 548, 508, 522}; ({x,y} - отдельные нуклеотиды х, у; [x,y] - все нуклеотиды от х до у.)

Третичная структура тРНК

Был произведе поиск соседних комплементарных пар, то есть находящихся друг под другом, с наибольшей площадью перекрывания азотистых оснований - в проекции на торец молекулы. Таких пар оказалось 2:

				 2   (0.005) C:.502_:[..G]G-*---U[..U]:.571_:C (0.008)  |            17   (0.006) C:.540_:[..G]G-----C[..C]:.530_:C (0.004)     |
				 3   (0.004) C:.503_:[..C]C-----G[..G]:.570_:C (0.004)    |            18   (0.003) C:.541_:[..C]C-----G[..G]:.529_:C (0.008)     |
				 
  				 
				 step               i1-i2                   i1-j2                  j1-i2                     j1-j2                  sum
		[*1]	 GC/GU      6.97( 4.16)     0.00( 0.00)      0.00( 0.00)      6.44( 3.84)    13.40( 8.00) 
		[*2]	 GC/GC      6.06( 3.06)     0.00( 0.00)      0.00( 0.00)      7.09( 4.17)    13.15( 7.23)

- области перекрывания; где i_n, j_n - n-ые нуклеотиды антинаправленных участков цепи. В файле stacking.pdb были найдены структуры, моделирующие эти взаимодествия (ориентация на нумерацию атомов) и зафиксированы их номера. Командой

ex_str -№ stacking.pdb step№.pdb,

где № - номер структуры, были вырезаны эти структуры в отдельные файлы step№.pdb. Затем командой

stack2img -cdolt step№.pdb step№.ps

были построены изображения, присутствующие на рис. 7.

Рис. 7. Стекинг-взаимодействия между азотистыми основаниями: [*1] и [*2]. Цвета отличают нуклеотиды, принадлежащие разным цепям; АТФ из B формально принадлежит цепи белковой молекулы.