A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Построение 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 программы Рutty, используя протокол ssh, подсоединяемся к серверу kodomo.cmm.msu.ru. Переходим в директорию term3/block1/pr2. Вводим следующие команды, что бы 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 строим A-, B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc". Для этого используем команды :

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

Структура дуплекса в А-форме находится в файле gatc-a.pdb, структура дуплекса в В-форме в файле gatc-b.pdb, структура дуплекса в Z-форме в файле gatc-z.pdb.

А-форма B-форма Z-форма

Работа со структурами нуклеиновых кислот с помощью средств программы JMol

Используя файл gatc-a.pdb для А-формы, выделим цветом или способом отображения:

Рис.1 Cахарофосфатный остов А-формы ДНК




Рис.2 Нуклеотиды А-формы ДНК

Нуклкотиды выделены в соответсвии с данной цветовой гаммой:
Аденин - красный, тимин - зеленый, гуанин - оранжевый, цитозин - синий.

Рис.3 Все аденины А-формы ДНК




Рис.4 Атом N7 во всех гуанинах А-формы ДНК

Получение файлов .pdb по идентификаторам 1G59 и 1DDN

На сайте PDB выполним поиск по идентификаторам 1G59 и 1DDN. Выберем подходящие варианты структур.

Рис.1 GLUTAMYL-TRNA SYNTHETASE COMPLEXED WITH TRNA(GLU)

Структура 1G59 на сайте PDB.


Рис.2 DIPHTHERIA TOX REPRESSOR (C102D MUTANT)/TOX DNA OPERATOR COMPLEX

Структура 1DDN на сайте PDB.


Выбранные варианты структур, представленные выше, сохранены в файлах 1G59.pdb и 1DDN.pdb соответственно.

Проверка заданных структур ДНК и РНК на наличие разрывов

Структуры 1DDN и 1G59 можно рассмотреть в программе JMol, изучив их на наличие разрывов. В них разрывы отсутствуют. Ниже представлены изображения только нуклеиновой кислоты в проволочной модели для рассматриваемых структур.

Рис.1 Изображение ДНК структуры 1ddn




Рис.2 Изображение РНК структуры 1g59

На рисунке представлена D-цепь РНК из файла pdb.


В файлах 1DNN_DNA.txt и 1G59_RNA.txt сохранены координаты атомов только РНК и ДНК соответственно.

Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol

Большие и малые бороздки

Научимся находить большие и малые бороздки. Откроем в JMol файл gatc-b.pdb, полученный ранее. Рассмотрите структуру и визуально определим большую и малую бороздку (большая бороздка не обязательно шире малой, но обязательно глубже).

Рис.1 B-форма ДНК

На рисунке виделены большая и малая бороздки.



Теперь выберем теперь тимин в любом удобном для нас месте структуры, наприме 11 Тимин. Определим, какие атомы основания явно обращены в сторону большой бороздки, а какие в сторону малой.

Рис.2 B-форма ДНК с выделенным тимин





С помощью ChemSketch получим изображение основания, выделим красным цветом атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.

Рис.3 Тимин

Красным цветом отмечены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки,
синим - в сторону малой.



В сторону большой бороздки обращены атомы: T11.С4, T11.С5, T11.O4', T11.С5M
В сторону малой бороздки обращены атомы: T11.С2, T11.N1, T11.O2'
Остальные атомы основания: T11.С6, T11.N3

В Z-форме нет тиминов, а в A-форме атомы тимина обращены с точностью в противоположенные стороны с атомами в В-форме: В сторону большой бороздки обращены атомы: T11.С2, T11.N1, T11.O2' В сторону малой бороздки обращены атомы: T11.С4, T11.С5, T11.O4', T11.С5M

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК

На рисунах 4, 5, 6 изображена одна из цепей ДНК соответственно А-формы, В-формы, Z-формы. На рисунках выделен и подписан шаг спирали в ангстремах.

Рис.4 Изображение одной цепи A-формы ДНК




Рис.5 Изображение одной цепи B-формы ДНК




Рис.6 Изображение одной цепи Z-формы ДНК

A-форма

B-форма

*Z-форма

Тип спирали (правая или левая)

Правая

Правая

Левая

Шаг спирали (A)

28.03

33.75

43.5

Число оснований на виток

11

10

12

Ширина большой бороздки

16.81
(T31:B.P - C12:A.P)

17.91
(T27:B.P - A10:A.P)

18.30
(C32:B.P - C6:A.P)

Ширина малой бороздки

7.98
(C8:A.P - T27:B.P)

11.69
(T15:A.P - A30:B.P)

8.68
(G9:A.P - G37:B.P)

Рис.7 Бороздки А-формы


Малая бороздка

Большая бороздка

Рис.8 Бороздки B-формы


Малая бороздка

Большая бороздка

Рис.9 Бороздки Z-формы


Малая бороздка

Большая бороздка

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм

С помощью команды Measurements->Click for torsion(dihedral) measurement в JMol измерим торсионные углы тимина в А- и В-форме. Эта команда позволяет определять торсинные углы заданной последовательности из четырех последовательно соединенных атомов.

α (P - O5') β (O5' - C5') γ (C5' - C4') δ (C4' - C3') ε (C3' - O3') ζ (O3' - P) χ (C1' - N)
A-ДНК -51.70 174.80 41.70 79.1 -147.80 -75.20 -157.20
B-ДНК -29.89 136.32 31.17 143.34 -140.8 -160.50 -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

Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA

Определение торсионных углов нуклеотидов


Определим торсионные углы в структуре 1ddn ДНК. Для это возьмем pdb-файл только с нуклеиновой кислотой, который мы получили ранее: 1DNN_DNA.txt и переведем его в старый формат PDB, так как пакет 3DNA пока работает только с ним.

remediator --old ''1DDN.pdb'' > ''1DDN_old.pdb


Мы получим файл 1DDN_old.pdb. Программа find_pair определяет спаренные основания и положения спиралей в структуре. Полученные данные необходимы для работы программы analyze. Можно перенаправить результат работы find_pair на вход программе analyze:

find_pair -t 1DDN_old.pdb stdout | analyze


В результате мы получим ряд файлов с описанием разных параметров структуры, в файле 1DDN_old.out можно найти описание водородных связей, значения всех торсионных углов, ширину малой и большой бороздки.
Для удобства, значения торсионных углов рассматриваемой структуры приведены в файле 1ddn_torsion_angles.txt.

Теперь с помощью Excel определим среднее значение каждого из торсионных углов, краевые нуклеотиды при этом не рассматриваем. Определим номер самого "деформированного" нуклеотида (с наиболее отклоняющимся значением какого-либо из торсионных углов или нескольких углов). Получим файл strands.xls

Рис.1 Первая цепь ДНК

Синим цветом выделены углы тех оснований первой цепи, для которых по данному углу наблюдается наибольшее отклонение.
Красным цветом выделены краевые нуклеотиды.

Рис.2 Вторая цепь ДНК

Синим цветом выделены углы тех оснований второй цепи, для которых по данному углу наблюдается наибольшее отклонение.
Красным цветом выделены краевые нуклеотиды.


Из рис 1. и рис.2 наглядно видно, что если рассматривать отклонение только в одном угле, то однозначно самый деформированный нуклеотид - С20 из первой цепи. Отклонение в угле ε - 288,2. Если рассматривать самый деформированный нуклеотид, как тот, у кого наибольшая сумма отклонений,то это T26 из первой цепи (сумма отклонений этого нуклеотида выделена зеленым на рис.1).

Определение структуры водородных связей

Рис.3 Типичный вид структуры тРНК (* номера спаренных нуклеотидов проставлены не совсем верно)


Определим номера нуклеотидов, образующих стебли(stems) во вторичной структуры 1G59 тРНК. Для этого откроем файл 1G59_RNA_old.out, в нем найдем информацию о спаренных основаниях, запишем ее в отдельный файл 1G59_pairs.txt.

Рис.4 Выделенные стебли

Синим цветом выделен акцепторный стебель.
Желтым - T - стебель
Красным - Антикодоновый стебель
Зеленым - D-стебел
Чтобы показать, как стебли располагаются в реальной структуре РНК приведем рис.5 на котором показана пространственная структура 1G59 и выделены стебли.
Рис.5 Выделенные стебли в пространственной структуре 1G59 в Jmol

Синим цветом выделен акцепторный стебель.
Желтым - T - стебель
Красным - Антикодоновый стебель
Зеленым - D-стебел

Скрипт, при помощи которого было получено изображение script.txt

Теперь определим неканонические пары оснований в структуре тРНК. Для этого обратимся к тому же файлу 1G59_RNA_old.out, найдем в нем нужную информацию и поместим в отдельный файл noncanonic.txt. Неканонические пары отмечены звездочкой (8 штук), причем такие пары могут быть принципиально двух разных типов: некомплементарные пары(то есть не A-U и G-C) и комплементарные пары между которыми есть неканонические водородные связи. На рис.4 выделены красным цветом неканонические пары структуры 1G59 тРНК.

Рис.6 Выделенные неканонические пары


Неканоничсекие пары выделены красным цветом.


Определим, есть ли дополнительные водородные связи в тРНК, стабилизирующие ее третичную структуру (для этого следует рассмотреть комплементарные пары, не имеющие отношения к стеблям).

Рис.7 Дополнительные водородные связи в тРНК, стабилизирующие ее третичную структуру


Пары выделены оранжевым цветом.

Нахождение возможных стекинг-взаимодействий

Получим нужные нам файлы с информацией о структуре тРНК командой :
find_pair -z rna_old.pdb stdout | analyze


Откроем файл 1G59_old.out с характеристикой структуры 1G59 тРНК. В нем можно найти информацию о последовательном перекрывании пар оснований, для удобство поместим ее в отдельный файл stecking.txt

Чем больше пары перекрываются, тем сильнее stacking. Из файла видим, что 2ая пара имеет максимальное перекрываение - 13.51 квадратных ангстрем. Информацию о пространственной структуре интересующей нас пары можно получить из файла stacking.pdb, который генерируется программой find_pair, использованной нами ранее. В этом файле есть pdb модели всех перекрывающихся попарно пар. Вычленим координаты нужной нам пары в файл pair.pdb.

Теперь визуализируем данную пару в Jmol.

Рис.8 30-ая пара с максимальным перекрыванием в Jmol


Аналогичную визуализацию можно проделать и с помощью программ:

ex_str -N stacking.pdb stepN.pdb

Где N - номер блока с нужной парой. Полученый pdb-файл можно конвертировать в формат ps:

stack2img -cdolt stepN.pdb stepN.ps

Рис.9 30-ая пара с максимальным перекрыванием при помощи stack2img


.

© Nuzhdina Ekaterina, 2013