Практикум 2. A-, B- и Z-формы ДНК. Структура РНК
В ходе данного практикума при помощи пакета программ 3DNA были построены модели молекул ДНК в различных формах и получены некоторые данные о структуре тРНК, а также измерены параметры спирали ДНК разных форм с применением визуализатора молекул JMol.
Построение моделей структур A-, B- и Z-ДНК
Для этой цели была использована программа fiber из пакета 3DNA. Требовалось построить структуры молекулы, одна из цепей которой представляет собой 5 раз повторённую последовательность "GATC", однако существование Z-формы в таком случае невозможно и программа не позволяла создать структуру, поэтому она была построена для повторённой 10-кратно последовательности "GC". Получившиеся модели в расширении .pdb можно скачать по ссылкам: A-форма, B-форма, Z-форма. Для наглядности модели, визуализированные в JMol (схема cartoon), также представлены на рисунках 1-3.
Сравнение параметров спирали ДНК в разных формах
Перед тем, как измерять параметры построенных моделей молекул, сравним одну из них (например, Z-форму) с моделью, полученной согласно экспериментальным данным (PDB ID: 1TNE). На рисунках 4 и 5 можно видеть сгенерированную программой и экспериментальную структуры соответственно. Цифрой 1 обозначена большая бороздка, цифрой 2 - малая бороздка.
Далее выберем в экспериментальной модели одно основание (цитозин) и рассмотрим, какие атомы обращены в сторону большой бороздки, а какие - в сторону малой.. На рисунке 6, сделанном при помощи MarvinSketch, первые выделены красным цветом, вторые - синим.
В сторону большой бороздки обращены атомы: C3.N1, C3.C2, C3.O2
В сторону малой бороздки обращены атомы: C3.N3, C3.C4, C3.N4, C3.C5, C3.C6
| A-форма | B-форма | Z-форма | |
|---|---|---|---|
| Тип спирали (правая или левая) | Правая | Правая | Левая |
| Шаг спирали (Å) | 28.03 | 33.75 | 43.5 |
| Число оснований на виток | 11 | 10 | 12 |
| Ширина большой бороздки | 16.21 (T31.P - C12.P) | 17.21 (T7.P - T31.P) | 18.3 (C26.P - C12.P) |
| Ширина малой бороздки | 7.98 (G5.P - A30.P) | 11.69 (A30.P - T15.P) | 7.2 (G11.P - G33.P) |
Затем при помощи инструментов JMol были изучены параметры структур ДНК в A-, B- и Z-форме на примере сгенерированных программой fiber моделей. Результаты представлены в таблице 1.
Определение параметров структуры тРНК
Так как пакет 3DNA работает со старым форматом PDB, файл со структурой изучаемой тРНК (PDB ID: 1H4S) пришлось конвертировать с помощью программы remediator. Затем с использованием программ find_pair и analyze из этого файла были получены необходимые данные, которые записаны в выходном файле.
Далее приведён фрагмент полученного файла, в котором содержится информация о торсионных углах нуклеотидов исследуемой тРНК:
Strand I
base alpha beta gamma delta epsilon zeta chi
1 G --- 146.0 56.0 87.3 -171.7 -60.3 -153.6
2 G 141.6 -174.7 -178.4 80.6 -135.9 -65.9 -172.6
3 A -54.1 163.8 53.2 75.6 -166.3 -97.0 -168.1
4 G 156.5 -150.0 -172.9 128.7 -80.3 -46.9 -159.4
5 G 56.0 146.7 51.6 84.1 -134.3 -73.1 177.1
6 C -65.6 165.8 53.8 81.9 -154.7 -73.9 -171.9
7 U -66.3 177.6 55.7 83.3 -157.0 -13.0 -153.8
8 G -137.7 79.1 173.7 88.7 -128.9 -83.0 175.6
9 G 140.9 -141.8 176.1 81.0 -129.1 -79.4 174.0
10 t -62.1 176.5 45.7 78.8 -128.1 -73.1 -162.6
11 P -52.9 163.7 50.7 78.6 -133.3 -90.2 -149.0
12 A -127.0 -103.9 179.0 88.8 -147.2 -70.9 -170.6
13 C -67.2 178.1 47.8 80.0 -160.6 -75.0 -152.9
14 G -66.8 174.4 51.1 82.1 -154.4 -76.4 -156.9
15 A -63.6 166.5 50.4 81.7 -152.6 -72.5 -159.0
16 G -51.3 165.9 52.4 79.1 -162.9 -57.6 -167.9
17 G 160.4 -172.1 179.8 83.8 -142.2 -79.0 179.1
18 G -63.6 170.8 46.7 78.5 -149.7 -76.7 -163.0
19 G 136.0 -128.9 71.0 91.6 -153.1 -68.4 -171.9
20 C -70.2 -179.4 46.6 82.0 -155.0 -69.3 -160.6
21 G -59.0 178.1 43.9 78.6 -159.5 -73.4 -154.6
22 C 148.9 -155.6 -174.5 85.0 -141.5 -77.5 -174.1
23 A -71.4 167.8 64.3 75.7 -152.6 -61.5 -174.0
24 G -59.7 177.2 54.1 87.7 -128.7 -87.8 -150.9
25 G -63.4 -158.5 46.5 126.7 -173.7 145.9 -71.5
Strand II
base alpha beta gamma delta epsilon zeta chi
1 C -63.8 170.5 54.8 81.4 --- --- -154.8
2 C -68.2 179.3 46.3 80.1 -151.7 -73.5 -156.1
3 U -64.6 -170.0 50.0 84.8 -166.2 -73.7 -158.3
4 C -62.1 177.2 51.6 80.3 -157.6 -61.1 -171.4
5 U -74.0 171.3 59.2 82.3 -152.7 -79.9 -168.3
6 G -62.5 160.5 63.5 79.2 -156.2 -76.5 -168.6
7 A -64.5 177.5 52.1 80.4 -146.1 -72.5 -163.5
8 C -65.5 -178.8 49.9 83.3 -151.4 -72.9 -164.4
9 C -122.5 -136.8 51.9 81.7 -156.2 -73.6 -166.8
10 G -48.4 -146.4 56.5 139.2 -107.8 -150.2 -66.7
11 G -51.6 146.1 145.4 132.3 -137.3 -68.4 -135.1
12 U -71.7 171.9 61.3 79.5 -162.7 -39.6 -157.2
13 G -72.7 164.2 63.8 80.7 -159.6 -67.8 -161.1
14 C -70.5 177.3 51.7 80.2 -153.3 -71.7 -152.7
15 U -64.3 -174.8 48.9 80.8 -152.4 -69.8 -170.1
16 C -70.5 -168.8 47.7 82.9 -154.1 -68.8 -166.4
17 C -61.4 176.6 46.2 81.7 -154.1 -73.2 -161.0
18 A -59.9 173.8 49.7 84.8 -142.6 -68.9 -162.9
19 C -67.1 171.6 52.1 80.9 -145.3 -66.9 -162.2
20 G -70.5 177.8 51.6 82.5 -142.3 -72.1 -166.6
21 C -75.4 178.3 53.8 79.2 -158.5 -76.3 -160.1
22 G -53.8 159.3 57.3 82.1 -160.8 -75.6 -164.8
23 U -91.1 -144.8 65.8 83.9 -141.9 -133.0 -167.8
24 C -53.5 134.3 51.0 129.4 -131.9 73.1 -138.5
25 C 157.0 -167.8 59.7 85.3 -141.6 -62.3 -162.6
Сравним полученные данные о торсионных углах в нуклеотидах тРНК с таковыми для A- и B-ДНК (информация из лекции). Для этого средствами Excel 2010 были вычислены средние и медианные значения для каждого из углов (см. таблицу 2).
| Alpha | Beta | Gamma | Delta | Epsilon | Zeta | Chi | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| тРНК (среднее) | -35.4 | 56.25 | 51.32 | 86.98 | -147.71 | -65.94 | -130.82 |
| тРНК (медианное) | -63.6 | 163.75 | 52 | 81.95 | -152.6 | -72.9 | -161.05 |
| A-ДНК | 62 | 173 | 52 | 88/3 | 178 | -50 | -160 |
| B-ДНК | 63 | 171 | 54 | 123/131 | 155 | -90 | -117 |
Можно видеть, что в некоторых случаях значения углов в тРНК в той или иной степени близки к значениям в ДНК (бета, гамма, дельта, хи); иногда они близки по модулю, но отличаются по знаку (альфа, эпсилон; не совсем ясно, это особенности структуры тРНК или особенности работы программы); есть случаи, когда медианное значение сильно отличается от среднего (альфа, бета, хи; скорее всего, это связано с тем, что значения углов у разных нуклеотидов могут быть противоположны по знаку из-за «перехода» через 0° или 180°; медианное значение считаем более информативным). Поскольку значения альфа, бета и гамма-углов для A- и B-форм ДНК различаются незначительно, трудно сделать однозначный вывод, к какой из форм ближе по этим параметрам изучаемая тРНК; то же справедливо и для дзета-угла, но по причине того, что его значения в нуклеотидах тРНК достаточно разнообразны, а среднее и медианное лежат примерно посередине между значениями для A- и B-ДНК. Из оставшихся углов дельта и хи явно ближе к A-форме ДНК, а эпсилон не похож ни на одну из форм (по модулю ближе к B-форме). Как итог, значения торсионных углов в нуклеотидах тРНК несколько более схожи с таковыми в A-ДНК, чем в B-ДНК.
Рассмотрим теперь структуру водородных связей в данной молекуле тРНК. Ниже приведена информация о взаимодействующих парах нуклеотидов в её составе:
Strand I Strand II Helix
1 (0.008) ....>T:...4_:[..G]G-----C[..C]:..69_:T<.... (0.008) |
2 (0.009) ....>T:...5_:[..G]G-----C[..C]:..68_:T<.... (0.006) |
3 (0.012) ....>T:...6_:[..A]A-----U[..U]:..67_:T<.... (0.003) |
4 (0.005) ....>T:...7_:[..G]G-----C[..C]:..66_:T<.... (0.010) |
5 (0.005) ....>T:..49_:[..G]G-*---U[..U]:..65_:T<.... (0.010) |
6 (0.004) ....>T:..50_:[..C]C-----G[..G]:..64_:T<.... (0.013) |
7 (0.002) ....>T:..51_:[..U]U-----A[..A]:..63_:T<.... (0.004) |
8 (0.006) ....>T:..52_:[..G]G-----C[..C]:..62_:T<.... (0.002) |
9 (0.005) ....>T:..53_:[..G]G-----C[..C]:..61_:T<.... (0.005) |
10 (0.006) ....>T:..54_:[5MU]t-**--G[..G]:..58_:T<.... (0.006) |
11 (0.026) ....>T:..55_:[PSU]P-**+-G[..G]:..18_:T<.... (0.012) x
12 (0.011) ....>T:..38_:[..A]A-----U[..U]:..32_:T<.... (0.009) |
13 (0.003) ....>T:..39_:[..C]C-----G[..G]:..31_:T<.... (0.006) |
14 (0.006) ....>T:..40_:[..G]G-----C[..C]:..30_:T<.... (0.007) |
15 (0.008) ....>T:..41_:[..A]A-----U[..U]:..29_:T<.... (0.009) |
16 (0.005) ....>T:..42_:[..G]G-----C[..C]:..28_:T<.... (0.005) |
17 (0.008) ....>T:..43_:[..G]G-----C[..C]:..27_:T<.... (0.007) |
18 (0.007) ....>T:..44_:[..G]G-**--A[..A]:..26_:T<.... (0.008) |
19 (0.004) ....>T:..10_:[..G]G-----C[..C]:..25_:T<.... (0.006) |
20 (0.003) ....>T:..11_:[..C]C-----G[..G]:..24_:T<.... (0.004) |
21 (0.004) ....>T:..12_:[..G]G-----C[..C]:..23_:T<.... (0.003) |
22 (0.004) ....>T:..13_:[..C]C-----G[..G]:..22_:T<.... (0.005) |
23 (0.003) ....>T:..14_:[..A]A-**--U[..U]:...8_:T<.... (0.004) |
24 (0.004) ....>T:..15_:[..G]G-**+-C[..C]:..48_:T<.... (0.007) x
25 (0.011) ....>T:..19_:[..G]G-----C[..C]:..56_:T<.... (0.005) +
В этой структуре можно выделить стебли:
4G...7G - 69C...66C
49G...53G - 65U...61C
38A...44G - 32U...26A
10G...13C - 25C...22G
Имеются дополнительные взаимодействия между основаниями, не относящимися к стеблям:
545MU - 58G
55PSU - 18G
14A - 8U
15G - 48C
19G - 56C
Присутствуют 6 неканонически взаимодействующих пар:
49G - 65U
545MU - 58G (5MU - 5-метилуридинмонофосфат)
55PSU - 18G (PSU - псевдоуридинмонофосфат)
44G - 26A
14A - 8U
15G - 48C