Модели форм ДНК

С помощью инструментов пакета 3DNA, включающего программы для анализа и моделирования структурнуклеиновых кислот и работающего под LINUX, были построены модели структур A-, B- и Z-формы ДНК. С помощью программы fiber из пакета 3DNA комплементарно сопоставлены две цепи нуклеиновых кислот, состоящие из пятикратного повторения последовательности "gatc", с образованием дуплекса. Результат данной работы визуализирован и представлен на трех апплетах ниже, при запуске которых Вы сможете изучить формы подробнее, а по ссылкам доступны файлы в формате pdb.

А-форма ДНК B-форма ДНК Z-форма ДНК

Сравнение структур ДНК
Рис. 1. Изображение C (цитозина) в B-форме ДНК.

Для выполнения данного задания в программе JMol была визуализирована B-форма ДНК и опредлены малая и большая бороздки в ней. Затем с помощью программы MarvinSketch для 12 по счету цитозина отмечались атомы, обращенные в сторону большой бороздки - синим, а в сторону малой бороздки - красным. На Рис. 1 представлен результат этой работы, а ниже непосредственно указаны номера атомов, характеризующиеся тем или иным положением в ДНК.

  1. В сторону большой бороздки обращены атомы c12.c6, c12.c5, c12.c4, c12.n4

  2. В сторону малой бороздки обращены атому c12.n1, c12.c2, c12.o2, c12.n3

Используя программу JMol, в Таблицу 1 были сведены некоторая информация о A-, B- и Z-формах ДНК. Для измерения ширины большой и малой бороздок выделялись атомы фосфора в структуре ДНК, а затем измерялись расстояния между атомами комплементарных цепей, находящихся на минимальном расстоянии.

Таблица 1. Спиральные параметры разных форм ДНК.
A-форма B-форма *Z-форма
Тип спирали (правая или левая) Правая Правая Левая
Шаг спирали (Å) 28.03 33.75 43.50
Число оснований на виток 11 10 12
Ширина большой бороздки (Å) 16.81 ([DC]44:B.P - [DT]7:A.P) 17.21 ([DG]29:B.P - [DG]17:A.P) 18.30 ([DC]6:A.P - [DC]32:B.P)
Ширина малой бороздки (Å) 7.98 ([DA]6:A.P - [DG]37:B.P) 11.69 ([DT]15:A.P - [DA]38:B.P) 8.68 ([DG]31:B.P - [DG]15:A.P)

Параметры структур нуклеиновых кислот

Далее с помощью программ find_pair и analyze из пакета 3DNA были сравнены некоторые параметры в структурах ДНК (PDB = 1dc1) и тРНК (PDB = 2fmt), находящихся в комплексе с некоторыми белками. В частности, анализировались торсионные углы (вокруг какой-либо связи) - это двугранные углы, определяющие взаимный поворот частей молекулы, находящихся по разные стороны от этой связи [1].

Рис. 2. Торсионные углы.

Данные, полученные при анализе, были усреднены при помощи стандартных функций (СУММ, СРЗНАЧ) программы Excel, а затем собраны в Таблицу 2, в которой помимо данных для ДНК (PDB = 1dc1) и тРНК (PDB = 2fmt; комплекс формилтрансферазы с двумя(!) молекулами тРНК), Помимо этого в Таблице 2. 1 приведены данные для A- и B-форм ДНК, чтобы определить, на какую из форм похожа структура тРНК. Для проведенения анализа выбран участок тРНК, образующий стебель, как будет показано ниже, а именно с 49 по 53 и с 59 по 63 нуклеотиды. Как видно из таблицы, по значениям углов данная тРНК больше похожа на A-форму ДНК.

Таблица 2. Сравнение значений торсионных углов.
Форма/угол
α
β
γ
δ
ε
ζ
χ
тРНК (PDB = 2fmt)
-49,44
2,29
50,09
89,95
-128,52
-58,09
-113,38
ДНК (PDB = 1dc1)
-26,35
17,54
38,84
108,85
-140,09
-71,59
-137,49
Таблица 2. 1. Сопоставление двойных спиралей в тРНК формам ДНК.
тРНК (49-53, 59-63)
-48,56
-102,16
57,17
89,36
-149,74
-68,21
-91,44
A-форма ДНК
-51,70
174,80
41,70
79,00
-147,80
-75,10
-157,20
B-форма ДНК
-29,90
136,40
31,10
143,40
-140,80
-160,50
-98,00

Также с помощью программы Excel были определены самые "деформированные" нуклеотиды, то есть с наиболее отклоняющимся значением какого-либо из торсионных углов. Такими являются для тРНК:

  • Отклонение в большую сторону - 49G, 33U, 32C, 48C, 9G

  • Отклонение в меньшую сторону - 19G, 13C, 25C, 7G

А для ДНК:

  • В одной цепи - 8G, 5C, 2A

  • В другой цепи - 5G, 6C, 8C, 9A (по двум значениям углов)

Ссылка на таблицу в Excel.

Структура тРНК

Для нахождения нуклеотидов, образующих стебли, с помощью программы из пакета 3DNA (find_pair -t 2fmt.pdb stdout | analyze) был получен файл 2fmt_old.out, в котором содержались данные, из которых выбирались пары нуклеотидов, обуславливающие третичную структуру тРНК. На Рис. 3 эти участки визуализированы с помощью JMol, где оранжевым цветом отображен участок с 1 по 6 пары, желтым - с 7 по 8 пары, синим - с 15 по 19, зеленым - с 22 по 25.

Рис. 3. Пространственная структура тРНК.

Помимо этого, в структуре тРНК существуют дополнительные водородные связи, стабилизирующие третичную структуру.

В строении РНК часто встречаются неканонические пары оснований. Так, для данной тРНК можно заметить следующие пары.

Стэкинг взаимодействия

Для данного задания была использована та же молекула тРНК, что изучалась выше (PDB = 2fmt). Из файла, полученного путем использования программ find_pair и analyze из пакета 3DNA, 2fmt_old.out были выбраны пары нуклеотидов с наибольшей и наименьшей площадями перекрывания, соответственно.

Далее, используя следующие команды, были получены изображения данных нуклеотидных пар в формате .ps, конвертируемые с помощью специального сайта: ex_str -* stacking.pdb step*.pdb и stack2img -cdolt step*.pdb step*.ps, где вместо * нужно поставить номер анализируемой пары. На Рис. 4 - 6 представлены пары с наибольшей площадью перекрывания. Для наглядности приведены результаты визуализации взаимного расположения этих пар в программе JMol, рассмотренного с разных ракурсов.

Рис. 4. Нуклеотидные пары с наибольшей площадью перекрывания
Рис. 5. Визуализация в JMol
Рис. 6. Визуализация в JMol

На Рис. 7 - 9 представлены пары с наименьшей площадью перекрывания. Для наглядности приведены результаты визуализации взаимного расположения этих пар в программе JMol, рассмотренного с разных ракурсов.

Рис. 7. Нуклеотидные пары с наименьшей площадью перекрывания
Рис. 8. Визуализация в JMol
Рис. 9. Визуализация в JMol

Источники:

[1] Торсионные углы