A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Получение моделей структур A-, B- и Z-формы ДНК

Для дальнейшего изучения A-, B- и Z-форм дуплекса ДНК построим их модели с помощью программы fiber пакета 3DNA. Доступ к программам пакета под операционной системой Windows получим через программу Putty, указав следующий путь:

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

Получим три pdb-файла со структурами разных форм ДНК, введя три следующие команды, и указав требуемые параметры (повторяющиеся участки для A- и B-форм - ACGT - и их количество для всех трёх форм): 

		fiber -a gatc_a.pdb
		fiber -b gatc_b.pdb
		fiber -z gatc_z.pdb

Отображение структур с помощью JMol

Программа JMol позволяет выделять различные группировки атомов и менять их отображение, чтобы выделить на фоне остальной структуры. На рисунке 1 приведены различные варианты отображения А-формы дуплекса ДНК.

А B
Рис. 1 А-форма дуплекса ДНК.
A. Сахарофосфатный остов (выделен командой select mainchain) покрашен тёмно-зелёным цветом, азотистые основания - жёлтым.
B. Атомы всех нуклеотидов (выделены командой select all) покрашены стандартными цветами JMol: голубой А, зелёный Т, розовый G, оранжевый С.
C. Все аденины (выделены командой select A) в цепи покрашены красным.
D. Атом N7 третьего гуанина (выделен командой select G3.N7) покрашен фиолетовым цветом, остальные атомы того же основания - красным. Третий гуанин является первым гуанином в последовательности.
C D

Для изучения структуры РНК и ДНК, связанных с белком, на сайте PDB получим файлы со структурами комплексов РНК-белок 1g59 (GLUTAMYL-TRNA SYNTHETASE COMPLEXED WITH TRNA(GLU)) и ДНК-белок 1ddn (DIPHTHERIA TOX REPRESSOR (C102D MUTANT)/TOX DNA OPERATOR COMPLEX). Проверим цепи нуклеиновых кислот на наличие разрывов. Результаты представлены на рисунках 2 и 3. Для дальнейшей работы отдельно сохраним атомы ДНК и РНК (файлы по ссылкам).

   
Рис. 2 Проволочная модель молекулы РНК 1g59. Разрывов нет.     Рис. 3 Проволочная модель молекулы ДНК 1ddn. Разрывов нет.

Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol

Вернёмся к полученным ранее структурам А-, В- и Z-форм ДНК. У всех трёх форм можно выделить большую и малую бороздки (см. рис. 4, 5, 6). Большая бороздка является более глубокой, она шире малой бороздки в В-форме, и уже её в А- и Z-форме ДНК.

      
Рис. 4 A-форма дуплекса ДНК. Большая и малая бороздки подписаны.     Рис. 5 B-форма дуплекса ДНК. Большая и малая бороздки подписаны.    Рис. 6 Z-форма дуплекса ДНК. Большая и малая бороздки подписаны.

Рассмотрим положение атомов тимина относительно большой и малой бороздок А- и В- форм дуплекса (Z-форма содержит только гуанин и цитозин). На рисунках 7 и 8 показано, что и в А-, и в В-форме к большой бороздке направлены атомы C6, C5, С4, O4 и C5M, а к малой - O2, C2, N1 и N3.

   
Рис. 7 Тимин в одной из цепей A-формы дуплекса ДНК. Все атомы основания подписаны. Те, что направлены в сторону большой бороздки окрашены оранжевым цветом, в сторону малой - красным цветом.     Рис. 8 Тимин в одной из цепей В-формы дуплекса ДНК. Все атомы основания подписаны. Те, что направлены в сторону большой бороздки окрашены красным цветом, в сторону малой - оранжевым цветом.

С помощью ChemSketch получим изображение основания с выделенными атомами (рис. 9).

Рис. 9 Тимин. Атомы основания пронумерованы, синим цветом выделены атомы, направленные в сторону большой бороздки (C6, C5, С4, O4 и C5M), красным - в сторону малой (O2, C2, N1 и N3).

С помощью программы JMol измерим различные параметры трёх форм дуплекса ДНК. Результаты представлены в таблице 1. На рисунках 10-12 представлены изображения измерений ширины бороздок.

Таблица 1. Данные измерений трёх форм дуплекса ДНК.

A-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 12
Ширина большой бороздки 7,98
(между атомами Р оснований A25 и C10) 		17,91
(между атомами Р оснований T8 и A29) 		7,2
(между атомами Р оснований G15 и G49)
Ширина малой бороздки 16,97
(между атомами Р оснований C10 и C34) 		11,69
(между атомами Р оснований A29 и T16) 		16,08
(между атомами Р оснований C10 и C50)
 
А B C

Рис. 10 Измерение большой и малой бороздок дуплекса ДНК. Жёлтыми шариками выделены атомы фосфора, между которыми проводилось измерение. Расстояние между атомами фосфора, расположенными на противоположных краях бороздок, отмечено пунктирной линией, над которой подписана длина в нанометрах.
А. A-форма ДНК.
B. В-форма ДНК.
C. Z-форма ДНК.

Сравним те же три структуры по ещё одному параметру - торсионным углам одного из нуклеотидов. Для измерений возьмём тимидил. Он изображён на рисунке 13 с отмеченными углами, которые были измерены. Результаты измерений приведены в таблице 2.

Рис. 13 Модель структуры тимидила. Стрелками отмечены торсионные углы, возле стрелок подписаны их названия.
Форма дуплекса α β γ δ ε ζ χ
A-форма 64,1 174,8 41,7 79,1 100,4 -75,1 -157,2
B-форма 85,9 136,4 31,1 143,4 105,9 -44,7 -98

Стоит отметить, что сильнее всего в А- и В-формах отличаются углы дельта и хи, что связано со степенью скрученности дуплексов.

Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA

С помощью команды find_pair -t 1DDN_dna_old.pdb stdout | analyze получим файл с информацией о структуре. Информация о торсионных углах и их средних значениях содержится в файле по ссылке. Нуклеотид №30 из второй цепи показывает сильное отклонение по углам альфа, бета и гамма.

Исользуем команду find_pair -d 1g59_rna_old.pdb для получения файла с информацие о водородных связях в молекуле РНК. Координаты участков, связанных водородными связями:

	B:.501_:[..G]G-----C[..C]:.572_:B
	B:.502_:[..G]G-*---U[..U]:.571_:B
    B:.503_:[..C]C-----G[..G]:.570_:B
    B:.504_:[..C]C-----G[..G]:.569_:B
    B:.505_:[..C]C-----G[..G]:.568_:B
    B:.506_:[..C]C-----G[..G]:.567_:B
    B:.507_:[..A]A-----U[..U]:.566_:B
	
	B:.510_:[..G]G-----C[..C]:.525_:B
    B:.511_:[..U]U-----A[..A]:.524_:B
    B:.512_:[..C]C-----G[..G]:.523_:B
	
	B:.526_:[..G]G-*---A[..A]:.544_:B
    B:.527_:[..C]C-----G[..G]:.543_:B
    B:.528_:[..G]G-----C[..C]:.542_:B
    B:.529_:[..G]G-----C[..C]:.541_:B
    B:.530_:[..C]C-----G[..G]:.540_:B
    B:.531_:[..C]C-----G[..G]:.539_:B
    B:.532_:[..C]C-*---A[..A]:.538_:B
	
	B:.549_:[..G]G-----C[..C]:.565_:B
    B:.550_:[..G]G-----C[..C]:.564_:B
    B:.551_:[..G]G-----C[..C]:.563_:B
    B:.552_:[..G]G-----C[..C]:.562_:B
    B:.553_:[..G]G-----C[..C]:.561_:B
    B:.554_:[..U]U-*---A[..A]:.558_:B

Выделим эти участки на модели молекулы средствами Jmol и определим, какому стеблю соответствует каждый из найденных участков. Результат на рисунке 14.

Рис. 14 Модель структуры тРНК. Жёлтым цветом выделен акцепторный стебель, красным -
Т-стебель, зелёным - дигидроуридиновый, оранжевым - антикодоновый стебель.

Некоторые пары оснований взаимодействуют неканонически. Всего таких пар нашлось 16. По этой ссылке приведён файл, где обозначены неканонические взаиможействия в исследуемой молекуле.

Неканонические пары, расположенные вне стеблей, стабилизируют структуру молекулы. К ним относятся пары 515-548, 517-555 и 518-556.