Комплексы ДНК-белок

Определение множеств в JMol

Зададим с помощью команды define следующие множества атомов в JMol:

Скрипт, который задаёт эти множества можно найти по ссылке.

Теперь получим скрипт (файл по ссылке), вызов которого в JMol даст последовательное изображение всей структуры, только ДНК в проволочной модели, той же модели, но с выделенными шариками множеством атомов set1, затем set2 и set3.

Поиск ДНК-белковых контактов в структуре 1DDN

Будем считать полярными атомы кислорода и азота, а неполярными - атомы углерода, фосфора и серы. Назовем полярным контактом ситуацию, в которой расстояние между полярным атомом белка и полярным атомом ДНК меньше 3.5Å, неполярным контактом - пару неполярных атомов на расстоянии меньше 4.5Å. Средствами JMol найдём число различных контактов. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Число контактов между ДНК и белком в 1DDN

Контакты атомов белка с различными остатками Полярные Неполярные Всего
2'-дезоксирибозы 13 47 60
фосфорной кислоты 45 129 174
азотистых оснований со стороны большой бороздки 9 21 30
азотистых оснований со стороны малой бороздки 0 3 3

Примечательно, что белок лежит только в больших бороздках ДНК (см. рис. 1). Это подтверждается таблицей 1. 3 атома, найденные как взаимодействующие с малой бороздкой, на самом деле лежат в большой, но достаточно глубоко в ней (на столько, что до атомов малой бороздки остаётся всего 4,5 Å). Почему с остатками фосфорной кислоты наблюдается много неполярных взаимодействий тоже понятно: это самая крайнаяя часть ДНК и расстояние берётся целых 4,5 Å (а не 3,5 как в случае с полярным взаимодействием).

Рис. 1 Структура 1DDN. Оранжевым цветом выделен ДНК-дуплекс, зелёными шариками - атомы, найденные взаимодействующими с малой бороздкой.

Получение схемы ДНК-белковых взаимодействий

С помощью программы nuclplot, получим изобржение (рис.2), на котором отмечены ДНК-белковые взаимодействия.

Рис. 2 Изображение взаимодействий ДНК-белок

Анализ результатов

Внимательно посмотрев на полученную схему, найдём аминокислотный остаток, образующий наибольшее число связей с ДНК. Это остаток глутамина-36 из цепи D, он образует две водородные связи с атомами фосфатной группы цитозина-424 (см. рис.3)

Рис. 3 Взаимодействие атомов остатка глутамина-36 и фосфатной группы цитозина-424. Водородные связи показаны пунктиром, атомы окрашены в стандартные цвета.

К наиболее важным аминокислотным остаткам для узнавания ДНК можно отнести тирозин-40 во всех четырёх цепях. Во-первых, он расположен в α-спирали, конформационно достаточно устойчивой части белка. Во-вторых, тирозин-40 из всех четырёх цепей образует водородные связи с ДНК, что говорит о консервативности этой связи. В-третьих, α-спирали, в которых расположены остатки тирозина-40 вдаются достаточно глубоко в большую бороздку. Такое специфическое расположение может играть роль в узнавании ДНК. Приведённые утверждения проиллюстрированы на рисунках 4 и 5.

Рис. 4 Расположение тирозинов-40 в комплексе ДНК-белок. ДНК выделена фиолетовым цветом, цепи белка - жёлтым, остатки тирозина-40, расположенные внутри больших бороздок - зелёным.
Рис. 5 Взаимодействие атомов остатка глутамина-40 и фосфатной группы тимидила-317. Водородные связи показаны пунктиром, атомы окрашены в стандартные цвета.

Предсказание вторичной структуры заданной тРНК

Подадим команде einverted на вход последовательность тРНК, с которой мы ранее имели дело. Используя параметры gap penalty: 4, minimum score treshold: 50, match score: 10, mismatch score: -4, на выходеполучаем следующее выравнивание:

1G59: Score 160: 23/28 ( 82%) matches, 15 gaps
       1 g-g-ccccatcgtctagcgg-ttaggacgcggccc-tctcaag 39      
         | | |||||  |    | ||  | | || |  ||| | ||  |
      73 cactggggt--c----ccccttagcttg-g--gggcaaag--c 42

Как видим, стебли тРНК не выделяются, просто первая половина последовательности выровнена со второй, что неверно. Однако акцепторный стебель всё же можно выделить.

Воспользуемся порталом mobyle@pasteur, чтобы получить предсказание инвертированных участков по алгоритму Зукера, сохраним лучшее предсказание (см. рис 6).

Рис. 6 Вторичная структура тРНК из 1DDN, предсказанная по алгоритму Зукера.

Сравнение полученных результатов приводится в таблице 2.

Таблица 2. Реальная и предсказанная вторичная структура тРНК из файла 1DDN.pdb

Участок структуры Позиции в структуре (по результатам find_pair) Результаты предсказания с помощью einverted Результаты предсказания по алгоритму Зукера
Акцепторный стебель 5' 01-07 3'
3' 72-66 5'
7 пар 		6 пар из 7 7 пар из 7
D-стебель 5' 10-12 3'
3' 25-23 5'
3 пары 		- 3 пары из 3 + 2 лишних
T-стебель 5' 26-32 3'
3' 44-38 5'
7 пар 		- 5 пар из 7
Антикодоновый стебель 5' 49-54 3'
3' 65-58 5'
7 пар 		- 5 пар из 7
Общее число канонических пар нуклеотидов 24 23 22