Лого сайта
A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Задание №1. Построение A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA

Построение A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA производилось при помощи программы fiber из пакета 3DNA. Для построения использовался участок gatc повтроренный 5 раз (в случае Z-формы использовалась последовательность gc с 10-и кратным повтором).

Результат представлен в формате pdb.
A-форма пятикратного повтора gatc в формате pdb
B-форма пятикратного повтора gatc в формате pdb
Z-форма пятикратного повтора gatc в формате pdb

Задание №2.Средства JMol для работы со структурами нуклеиновых кислот.

Выделение разных атомов и химических группировок,при использовании предопределеннх множеств JMol.

Для работы была выбрана A-форма из задания №1. Написан скрипт Скрипт для получения Рис. 1, Рис. 2, Рис. 3.

jmol_script.txt

Рис. 1 A-форма цепи днк состоящей из 2 цепей, прямая цепь представляет 5 кратый повтор последовательности gatc.
Вид сверху на ДНК: сахарофосфатный остов ДНК показан красным цветом, все азотистые основания показаны синим цветом, но все аденины зеленым. Атом N7 во всех гуанинах показан фиолетовой относительно крупной сферой, а в первом по последовательности гуанине - относительно крупной оранжевой сферой.

Рис. 2 A-форма цепи днк состоящей из 2 цепей, прямая цепь представляет 5 кратый повтор последовательности gatc.
Вид под углом на ДНК: сахарофосфатный остов ДНК показан красным цветом, все азотистые основания показаны синим цветом, но все аденины зеленым. Атом N7 во всех гуанинах показан фиолетовой относительно крупной сферой, а в первом по последовательности гуанине - относительно крупной оранжевой сферой.

Рис. 3 A-форма цепи днк состоящей из 2 цепей, прямая цепь представляет 5 кратый повтор последовательности gatc.
Вид сбоку на ДНК: сахарофосфатный остов ДНК показан красным цветом, все азотистые основания показаны синим цветом, но все аденины зеленым. Атом N7 во всех гуанинах показан фиолетовой относительно крупной сферой, а в первом по последовательности гуанине - относительно крупной оранжевой сферой.

Получение pdb файлов структур комплексов тРНК и ДНК.

При помощи сервиса получены файлы с pdb идентификаторами 1D5Y и 1EHZ.

Файл 1D5Y содержит Rob фактор транскрипции Escherichia coli в комплексе с ДНК. Этот белок принадлежит к семейству AraC/XylS белков, представители которого участвуют в регуляции транскрипции генов устойчивости к антибиотикам, органическим растворителям и тяжелым металам.

Файл 1EHZ содержит кристаллическую структуру дрожжевой тРНК фенилаланина с разрешением 1.93 , Å

Проверка заданных структур ДНК и РНК на наличие разрывов.

Получены изображения средствами Jmol только ДНК или РНК, для анализа на наличие разрывов.

Для получения изображения только ДНК (Рис. 4) и pdb файла с координатами атомов только ДНК из pdb файла 1D5Y, был написан скрипт.

DNA_script.txt

Рис. 4 ДНК цепи из pdb 1D5Y, комбинированное представление cartoon и wireframe. Как видно по рисунку, данные ДНК цепи не содержат разрывов в своей структуре.

Для получения изображения только РНК (Рис. 5) и pdb файла с координатами атомов только РНК из pdb файла 1EHZ, а так же был написан скрипт.

RNA_script.txt

Рис. 5 РНК цепь из pdb 1EHZ, комбинированное представление cartoon и wireframe, покраска выполнена по цветовой схеме cpk. Как видно по рисунку, даная РНК цепь не содержит разрывов в своей структуре.

Задание №3. Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol.

Нахождение большой и малой бороздки в ДНК.

В программе Jmol был осуществлен визулальный поиск большой и малой бороздки в B-форме ДНК из Задания №1. Для этого был написан скрипт, результат работы которого представлен на Рис. 6.

DNA_script_groove.txt

Рис. 6 B-форма ДНК из Задания №1, комбинированное представление cartoon и wireframe, покраска выполнена по цветовой схеме cpk. Подписями отмечено положение большой бороздки и малой бороздки.

Для подробной иллюстрации положения атовов относительно бороздок, рассмотрено азотистое основание аденин, находящееся в 10-м по счету нуклеотиде цепи А B-формы ДНК из задания №1. В программе ChemSketch составлена структурная формула аденина с пояснениями по поводу бороздок. Результат представлен на Рис. 7.

Рис. 7 Структурная формула азотистого основания аденина, с пояснениями по поводу расположения атомов относительно большой и малой бороздки. На рисунке рассмотрен вариант для B-формы ДНК, для A-формы ДНК расположение атомов в стороны большой и малой бороздки инвертируется, а в Z-форме ДНК аденин отсутствует.

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК.

Для сравнения основных спиральных параметров разных форм ДНК эти формы были рассмотрены в Jmol'е и для визуализации был написан скрипт, результаты работы корогого представлены на Рис. 8-10. Итог сравления представлен в Табице 1.

DNA_script_helix.txt

Рис. 8 B-форма ДНК с пояснениями по поводу расположения большой и малой бороздки, их длины, а так же длины витка.

Рис. 9 A-форма ДНК с пояснениями по поводу расположения большой и малой бороздки, их длины, а так же длины витка.

Рис. 10 Z-форма ДНК с пояснениями по поводу расположения большой и малой бороздки, их длины, а так же длины витка.

Основные спиральные характеристики форм ДНК A-форма B-форма Z-форма
Тип спирали (правая или левая) Правая Правая Левая
Шаг спирали, Å 28,0 33,8 43,5
Число оснований на виток 11 10 12
Ширина большой бороздки, Å 17,0 ([A]34:B.P) - ([A]10:A.P) 17,2 ([G]37:B.P) - ([G]1:A.P) 7,2 ([G]31:B.P) - ([G]13:A.P)
Ширина малой бороздки, Å 8,0 ([G]25:B.P) - ([A]10:A.P) 11,7 ([A]34:B.P) - ([T]11:A.P) 15,2 ([C]24:B.P) - ([G]17:A.P)
Таблица 1. Результаты измерения и сравнения основных спиральных параметров A-,B- и Z- форм ДНК.

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм.

Вначале был подробно рассмотрен слайд учебной презентации, посвещенный торсионным углам. (Рис. 11)

Рис. 11 Расположения и значения торсионных углов на примере аденина в составе A- и B- формы ДНК.

Для сравнения торсионных углов в аденине в разных формах ДНК (A- и B- форма) был написан скрипт, результаты работы корогого представлены на Рис. 12-13. Итог сравления представлен в Табице 2.

angles.txt

Рис. 12 Структурная формула азотистого основания аденина в A-форме ДНК, с пояснениями по поводу расположения и значения торсионных углов.

Рис. 13 Структурная формула азотистого основания аденина в B-форме ДНК, с пояснениями по поводу расположения и значения торсионных углов.



угол α β γ δ ε ξ χ
A-форма (презентация) 62 173 52 88 или 3 178 -50 -160
A-форма (Jmol) 64.1 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157,2
B-форма (презентация) 63 171 54 123 или 131 155 -90 -117
B-форма (Jmol) 85.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0
Таблица 2. Сравдение значения торсионных углов в аденине для A- и B- формы ДНК, полученных путем измерения структуры pdb из Задания №1 в Jmol'е и табличных данных.

Задание №4. Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA.

Определение торсионных углов нуклеотидов.

Вначале определим торсионные углы для ДНК из A-,B- и Z- формы. Для этоко был написан следующий скрипт, использующий программы пакета 3DNA и стандартные программы Linux, для получения информации о торсионных углах в pdb структурах A-, B- и Z- форм из Задания №1.

Получение информации от орсионных углах.

for file in gatc-?.pdb;do sed /^REMARK/d $file > clean_${file};remediator --old clean_${file} >clean_old_${file}; find_pair -t -s clean_old_${file} stdout |analyze;rm clean_*${file};done

В результате работы этого скрипта получены файлы, содержащие информацию о торсионных углах в pdb структурах A-,B- и Z- форм ДНК: clean_old_gatc-a.outs, clean_old_gatc-b.outs, clean_old_gatc-z.outs

Далее они были обработаны в программе LibreOffice Calc в результате чего был получен файлс информацией о средних значениях всех торсионных углов для каждого нуклеотида в каждой форме ДНК.

Итог анализа данных для торсионных углов A-,B- и Z-форм ДНК представлен в Таблице 3.

formbaseαβγδεξχ
AG-51.70174.8041.7079.09-147.79-75.10-157.20
BG-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-98.00
ZG51.93179.00-173.8094.90-103.60-64.8058.70
delta ABG21.8038.4610.5664.256.9985.4059.20
delta AZG103.634.20215.5015.8144.1910.30215.90
delta BZG81.8342.66204.9448.4437.2095.70156.70
AA-51.70174.8041.7079.08-147.80-75.10-157.20
BA-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-98.00
ZAnonenonenonenonenonenonenone
delta ABA21.8038.4610.5664.267.0085.4059.20
delta AZAnonenonenonenonenonenonenone
delta BZAnonenonenonenonenonenonenone
AT-51.70174.8041.7079.10-147.80-75.10-157.20
BT-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-97.98
ZTnonenonenonenonenonenonenone
delta ABT21.8038.4610.5664.247.0085.4059.22
delta AZTnonenonenonenonenonenonenone
delta BZTnonenonenonenonenonenonenone
AC-51.70174.8041.7079.09-147.79-75.09-157.20
BC-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-97.98
ZC-139.50-136.7750.87137.60-96.5081.97-154.30
delta ABC21.8038.4610.5664.256.9985.4159.23
delta AZC87.80311.579.1758.5151.29157.052.90
delta BZC109.60273.10-19.735.74-44.30-242.4756.33

Таблица 3. Сравнение торсионных углов в различных нуклеотидах в A-,B- и Z-формах. Запись delta обозначает приращение градусной меры торсионного угла в одной форме относительно другой.

Как видно из Таблицы 3 между формами A и B имеется довольно сильное различие только в торсионных углах δ, ξ и χ. Однако Z-форма ДНК отличается от форм A и B почти по всем торсионным углам для нуклеотидов с гуанином и цитозином.

Определение значения торсионных углов в заданной структуре тРНК.

Для получения информации о торсионных углах тРНК использовался файл pdb из Задания 2, обработанный следующим скриптом, выходной файл которого был обработан в LibreOffice Calc. Конечный результат обработки представлен в Таблице 4.

Получение информации о торсионных углах.

file=1EHZ_only_RNA.pdb; sed /^REMARK/d $file > clean_${file};remediator --old clean_${file} >clean_old_${file}; find_pair -t -s clean_old_${file} stdout |analyze;rm clean_*${file}

baseαβγδεξχ
G-26.3774.6559.6091.90-138.08-83.55-122.90
C-33.1494.5264.0790.11-144.73-50.83-156.96
A-54.0673.1828.9890.04-140.73-78.13-152.26
U-37.253.1562.2790.72-114.25-66.45-149.89

Таблица 4. Сравнение торсионных углов в различных нуклеотидах в тРНК из pdb 1EHZ, полученное взятием среднего арифметического для каждого нуклеотида.

Как видно из Таблицы 4, данная тРНК по торсионным углам в своих нуклеотидах похожа на А-форму ДНК.

Определение значения торсионных углов в заданной структуре ДНК.

Для получения информации о торсионных углах ДНК использовался файл pdb из Задания 2, обработанный следующим скриптом, выходной файл которого был обработан в LibreOffice Calc. Конечный результат обработки представлен в Таблице 5.

Получение информации о торсионных углах.

file=1D5Y_only_DNA.pdb; sed /^REMARK/d $file > clean_${file};remediator --old clean_${file} >clean_old_${file}; find_pair -t -s clean_old_${file} stdout |analyze;rm clean_*${file}

baseαβγδεξχ сумма модулей разности торсионных углов и их среднего
1T, не учит.------51.80142.60162.20-86.60-108.60#VALUE!
2G-62.50-155.9043.00143.20-172.80-128.60-106.10210.18
3A-51.00170.9047.10145.10179.50-91.70-107.20302.33
4C-56.70177.3047.10136.10-147.80-150.90-110.30244.69
5A-58.90156.5050.20137.70-166.00-100.10-124.30316.69
6G-56.20171.6039.20135.70-167.60-152.10-109.70341.41
7C-27.80143.9046.90141.70-161.10-116.90-115.50240.98
8A-70.30176.4049.90143.20-163.60-117.70-105.20352.93
9C-65.90177.3045.10133.70158.00-91.90-98.80401.97
10T-50.50-159.0041.70139.10-178.90-94.00-103.60318.46
11G-58.00-178.9041.00140.00-147.90-155.60-103.80228.02
12A-38.80142.4038.40132.30176.50-96.00-115.40287.26
13A-49.30-163.8033.00139.30171.40-96.20-100.30405.70
14T-49.60-176.4045.00135.80176.10-109.70-106.30315.12
15G-53.40-178.3044.00141.40170.90-100.40-111.40429.08
16T-62.20-157.5041.00140.70-160.90-133.40-101.00313.02
17C-42.80149.5044.80134.60178.50-96.70-110.80380.11
18A-62.90-172.0046.80143.30-143.30-176.20-96.00490.04
19A-48.30131.5053.10143.70175.50-94.10-117.50262.90
20A-55.10-173.0042.60141.20178.20-104.10-115.10395.25
21G, не учит.-72.70-155.2042.20147.10-------93.30#VALUE!
22A, не учит.------68.80142.80165.40-76.10-135.10#VALUE!
23C-113.60-128.7053.40142.70-172.10-162.20-91.30424.97
24T-23.10130.4052.00140.90165.60-101.30-115.50402.55
25T-68.90-154.6052.10143.00171.10-87.20-107.90322.79
26T-69.30-159.1044.90141.90-161.30-137.50-93.30331.22
27G-44.80147.7045.40139.80-155.50-151.50-109.60312.02
28A-53.70157.1047.90142.60177.30-83.30-121.80296.47
29C-63.50-168.2039.00142.50-177.00-142.40-105.40378.59
30A-46.10166.3051.50143.80175.60-90.00-114.20299.30
31T-65.10-163.4039.90134.30161.50-91.90-98.60317.69
32T-60.20-152.4042.30138.10-164.50-113.60-102.20285.55
33C-45.30154.3045.60137.50-155.70-157.70-102.80232.18
34A-46.20144.1053.60144.10-172.00-90.20-123.00321.64
35G-74.70-165.9039.60146.00-150.70-139.70-88.70239.62
36T-52.80147.1048.40135.90-165.90-134.80-90.30412.19
37G-39.40157.4039.50135.00-161.20-153.70-117.70347.61
38C-9.10132.2030.10136.10175.80-124.40-106.60371.33
39T-34.90169.1044.90140.60173.20-83.10-118.90454.08
40G-78.10-157.1041.40142.40-172.30-143.00-99.60242.82
41T-51.60158.6059.20137.00176.10-84.80-125.50445.68
42C, не учит.-82.50-161.2048.90145.30-------102.50#VALUE!
43T, не учит.------56.60139.70172.80-88.90-112.80#VALUE!
44G-50.80-174.1038.80141.20-158.70-147.90-105.80237.41
45A-42.80155.0040.60137.20177.80-84.30-115.30301.66
46C-53.00-177.4042.80131.90-168.20-129.70-115.60362.43
47A-47.00173.0042.70138.00-167.80-108.40-114.10326.09
48G-46.60164.9039.00136.30-170.30-139.80-107.60332.21
49C-40.10161.9044.00137.40-176.00-107.30-116.90266.04
50A-64.60-167.3045.70147.00-169.90-125.60-98.80463.93
51C-49.80162.4048.90135.70175.30-104.70-112.00379.01
52T-60.70-167.3048.90140.50178.50-95.10-94.50328.93
53G-55.70-179.8043.00139.90-150.10-149.20-102.20228.13
54A-45.40149.5040.80134.60160.60-86.40-110.40276.60
55A-69.50-149.1044.40141.60175.20-108.30-102.50393.59
56T-48.90-179.2045.10139.90-171.90-116.00-106.00321.99
57G-54.80170.0048.10138.20164.30-93.40-111.90516.98
58T-72.20-146.1041.30142.30-161.60-172.80-93.50360.52
59C9.70102.6030.60131.20174.60-95.90-96.70400.56
60A-56.70-173.9043.30140.90-163.70-174.20-101.10499.20
61A-36.90132.1054.90143.60-179.80-83.40-132.00343.34
62A-72.80-164.8043.50135.70166.40-99.30-111.20398.28
63G, не учит.-63.30-157.8047.90153.00-------99.70#VALUE!
64A, не учит.------55.20141.20162.30-74.50-131.20#VALUE!
65C-96.70-134.3048.20142.90-160.10-144.70-98.10372.37
66T-47.70143.9055.40136.20167.40-94.90-118.10405.68
67T-62.50-153.7043.50139.50160.70-87.50-104.20296.46
68T-70.10-150.2048.90147.40-165.20-142.50-91.10340.90
69G-46.90146.8049.20139.70-158.20-146.50-112.50313.52
70A-50.40158.5046.50145.80165.20-73.40-112.60289.23
71C-78.00-151.1043.30142.80-175.20-141.50-97.70377.77
72A-48.10162.3051.00140.30-175.70-90.10-117.50331.21
73T-67.30-169.4037.90134.90169.80-110.90-96.80322.16
74T-46.90-175.0045.80134.10-165.30-108.30-114.30317.64
75C-45.50162.1040.70139.80-158.70-157.10-103.40242.94
76A-36.10137.9049.90140.70-167.70-84.40-126.50324.01
77G-95.60-164.2047.00149.20-68.80162.40-75.50502.59
78T-92.80147.9027.80133.60162.50-99.40-85.90446.14
79G-40.30-166.1037.50138.40179.70-110.10-102.20427.88
80C-39.20169.9036.10137.10-158.80-149.50-111.10255.58
81T-31.20132.9050.90134.40-170.00-95.40-128.60424.17
82G-75.30-168.8041.00140.50-177.40-131.60-101.70241.82
83T-53.50163.6062.00138.30-163.00-104.20-116.60411.97
84C, не учит.-73.30177.8048.00144.80-------104.40#VALUE!
СреднееG-58.32-45.6742.29140.43-93.54-117.54-104.13
A-52.3152.2546.25140.9918.62-102.61-112.82
T-56.45-48.6346.31138.561.55-109.01-105.12
C-51.0858.3642.91137.73-59.28-129.59-105.81

Таблица 5. Анализ торсионных углов в ДНК из pdb 1D5Y. Получены торсионные углы для каждого нуклеотида, взято средние для каждого нуклеотида и торсионного угла, а также введена и посчитана величина суммы модулей разности между средним значением соответствующего торсионного угла и торсионного угла нуклеотида.

Как видно из Таблицы 5, самую большую сумму модулей разности тосиооных углов и их среднего имеет нуклеотид №57. Это говорит о том,что этот гуанин больше чем все другие нуклеотиды отличается по торсионным углам от среднего значения.

Определение структуры водородных связей.

Для выполнения этого задания был зпущен следующий скрипт и проанализирован выходной файл.

Для получения информации о структуре тРНК использовался файл pdb из Задания 2, обработанный следующим скриптом, выходной файл которого был проанализирован.

Получение информации структуре тРНК.

file=1EHZ_only_RNA.pdb; sed /^REMARK/d $file > new_clean_${file};remediator --old clean_${file} >new_clean_old_${file}; find_pair -t new_clean_old_${file} stdout |analyze;rm new_clean_*${file}

Полученные данные о стеблях в тРНК представлены на Рисунке 14.

Рис. 14 Полученная информация о стеблях тРНК при помощи програмного пакета 3DNA, красным цветом выделен акцепторный стебель, зеленым Т-стебель, синим D-стебель и желтым антикодоноый стебель.

На основании данных Рисунка 14, полученно изображение тРНК из pdb 1EHZ, раскрашенное с выделением стеблей. (см. Рисунок 15). Для раскраски был использован скрипт раскрашивающий стебли в различные цвета.

stems.txt

Рис. 15 Cтебли в тРНК pdb 1EHZ, информация о которых получена при помощи програмного пакета 3DNA: красным цветом выделен акцепторный стебель, зеленым Т-стебель, синим D-стебель и желтым антикодоноый стебель. Нуклеотиды не участвующие в образовании стеблей показаны серым.

Неканоничные (или модифицированные) взаимодействия, судя по Рисунку 14, происходят между следующими парами нуклеотидов:

				   4   (0.018) A:...4_:[..G]G-*---U[..U]:..69_:A (0.015)     |
				   7   (0.008) A:...7_:[..U]Ux----A[..A]:..66_:A (0.016)     |
				  13   (0.013) A:..54_:[5MU]u-**-xa[1MA]:..58_:A (0.012)     |
				  15   (0.015) A:..36_:[..A]Ax*---U[..U]:..33_:A (0.014)     |
				  16   (0.008) A:..38_:[..A]A-*---c[OMC]:..32_:A (0.008)     |
				  17   (0.004) A:..39_:[PSU]P-*---A[..A]:..31_:A (0.007)     |
				  22   (0.015) A:..44_:[..A]Ax*---g[M2G]:..26_:A (0.013)     |
				  27   (0.025) A:..14_:[..A]A-**-xU[..U]:...8_:A (0.016)     |

Водородные взаимодействия стабилизирующие структуру, судя по Рисунку 14, происходят между следующими парами нуклеотидов: 54----58 и 55----18, они стабилизируют Т-петлю

Поиск стэкинг-взаимодействия.

Рассматривая стекинг взаимодействия в файле и информацией о вторичной структуре тРНК находим стекинг взаимодействия с наибольшим и наименьшим перекрытием. (см. Рисунок 16)

Рис. 16 Данные программы analyze для выбора анализируемых пар нуклеотидов с наибольшим и наименьшим перекрытием.

Для анализа стекинг взаимодействия отобраны структуры №13 и №14 с наибольшим и наименьшим перекрытием соответственно. Для получения графических изображений этих взаимодействий на Рисунке 17 и Рисунке 18 был написан следующий bash-скрипт берущий данные из выходного файла analyze

bash-скрипт для получения Рисунка 17 и Рисунка 18


ex_str -13 stacking.pdb step13.pdb
ex_str -14 stacking.pdb step14.pdb
stack2img -cdolt step13.pdb step13.ps
stack2img -cdolt step14.pdb step14.ps
convert step13.ps fig_17.png
convert step14.ps fig_18.png

Рис. 17 Графическое изображение нуклеотидов с наибольшим перекрытием: пара U54 и U55 с парой G18 и U58.

Рис. 18 Графическое изображение нуклеотидов с наименьшим перекрытием: пара U33 и A36 с парой G18 и U58.

Так же для более наглядной иллюстрации стекинговых взаимодействий с наибольшим и наименьшим перекрыванием был написан скрипт для Jmol'a, резульатом работы которого является Рисунок 19 и Рисунок 20, показывающие стекинговые взаимодействия в пространстве.

stacking_Jmol.txt

Рис. 19 Графическое изображение в программе Jmol нуклеотидов с наибольшим перекрытием: пара U54 и U55 с парой G18 и U58.

Рис. 20 Графическое изображение в программе Jmol нуклеотидов с наименьшим перекрытием: пара U33 и A36 с парой G18 и U58.

Графическое представление на Рисунке 17,18 совпадает с таким на Рисунке 19,20, на которых подробнее (в пространстве) показаны взаимодействия.