Для выполнения данного задания с помощью пакета 3DNA [1] были подготовлены трёхмерные структуры двух ДНК-дуплексов: для дуплекса, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc", построены структуры A- и B- форм, для дуплекса, последовательность одной из нитей которого представляет собой 10 раз повторенную последовательность "gc", построена структура Z-формы.
Полученные pdb-файлы были отображены в Jmol. На этом изображении были определены атомы остатка цитозина, принадлежащие большой и малой бороздкам: к малой бороздке принадлежат атомы C2 и O2, к большой — C4, C5, C6, N3 и N4; оставшийся атом основания (N1) лежит на линии, формально разделяющей большую и малую бороздки (от N1 остатка цитозина к N9 комплементарного остатка гуанина). При сравнении моделей A-, B- и Z-форм было замечено, что в большую и малую бороздки направлены одни и те же группы атомов. Полученное распределение отражено на рисунке 1: атомы, принадлежащие большой бороздке, отмечены красным цветом, малой — синим.
Далее с помощью Jmol были измерены основные параметры спирали для каждой из форм: ширина бороздок была измерена для остатков G9, T35 и С30 в формах A, B и Z соответственно.
| A-форма | B-форма | Z-форма | |
| Тип спирали (правая или левая) | П | П | Л |
| Шаг спирали (Å) | 28.03 | 33.90 | 43.50 |
| Число оснований на виток | 1 | 1 | 2 |
| Ширина большой бороздки | 16.81 | 17.21 | 18.3 |
| Ширина малой бороздки | 7.98 | 11.69 | 9.87 |
Далее с помощью программы analyze из пакета 3DNA были получены данные для торсионных углов в нуклеотиде C32; полученные углы представлены в таблице 2.
| α | β | γ | δ | ε | ζ | χ | |
| A | -51.7 | 174.8 | 41.7 | 79.1 | -147.8 | -75.1 | -157.2 |
| B | -29.9 | 136.3 | 31.1 | 143.3 | -140.8 | -160.5 | -97.9 |
| Z | -139.5 | -136.8 | 50.9 | 137.6 | -96.5 | 82.0 | -154.3 |
Полученные результаты сильно отличаются от представленных в презентации: возможно, экспериментальные данные, использованные в презентации, отличаются от теоретических вследствие взаимодействия дуплекса с окружающими молекулами, что может приводить, например, к изгибанию двойной спирали.
При выполнении данного задания был проведен анализ структур двух молекул НК: ДНК в составе ДНК-белкового комплекса (PDB ID 1dsz) и тРНК в составе комплекса тРНК-аминоацил-тРНК-синтетаза (PDB ID 1o0c).
Далее для выбранных молекул с помощью программы analyze (запускалась с ключом -t) были найдены средние значения торсионных углов, представленные в таблице 3.
| α | β | γ | δ | ε | ζ | χ | |
| 1dsz | -45.17 | 178.41 | 49.46 | 125.78 | 196.43 | -84.35 | -116.7 |
| 1o0c | -19.26 | 172.30 | 72.03 | 87.45 | 214.25 | -59.19 | -132.31 |
Один из наиболее сильно отличающихся от среднего нуклеотидов в дуплексе 1dsz — C1508 (здесь и далее номера нуклеотидов взяты из PDB-файла соответствующей структуры): в нем угол α отличается от среднего на 157.5°, угол β — на 67.5°. В цепи тРНК из структуры 1o0c сильно отличается от прочих нуклеотид B936 (угол β отличается от среднего на 91.2°, угол γ — на 111.2°).
Далее в цепи тРНК с помощью программы find_pairs были найдены группы спаренных остатков азотистых оснований. Результатом работы программы является файл 1o0c.fp, приведенный ниже.
2 # duplex
28 # number of base-pairs
1 1 # explicit bp numbering/hetero atoms
1 69 0 # 1 | ....>B:.902_:[..G]G-----C[..C]:.971_:B<.... 0.66 0.04 8.80 8.95 -3.82
2 68 0 # 2 | ....>B:.903_:[..G]G-----C[..C]:.970_:B<.... 0.30 0.08 7.34 8.80 -4.18
3 67 0 # 3 | ....>B:.904_:[..G]G-----C[..C]:.969_:B<.... 0.41 0.29 15.32 8.84 -3.24
4 66 0 # 4 | ....>B:.905_:[..G]G-----C[..C]:.968_:B<.... 0.62 0.33 21.37 8.85 -2.65
5 65 0 # 5 | ....>B:.906_:[..U]U-----A[..A]:.967_:B<.... 0.16 0.08 15.73 8.78 -3.89
6 64 0 # 6 | ....>B:.907_:[..A]A-----U[..U]:.966_:B<.... 0.57 0.48 8.81 8.82 -3.03
47 63 0 # 7 | ....>B:.949_:[..C]C-----G[..G]:.965_:B<.... 0.64 0.18 14.81 8.76 -3.27
48 62 0 # 8 | ....>B:.950_:[..G]G-----C[..C]:.964_:B<.... 0.34 0.06 14.29 8.79 -3.83
49 61 0 # 9 | ....>B:.951_:[..A]A-----U[..U]:.963_:B<.... 0.42 0.08 6.27 8.41 -2.10
50 60 0 # 10 | ....>B:.952_:[..G]G-----C[..C]:.962_:B<.... 0.50 0.39 11.22 8.84 -3.15
51 59 0 # 11 | ....>B:.953_:[..G]G-----C[..C]:.961_:B<.... 0.19 0.17 11.52 8.80 -3.88
52 56 0 # 12 | ....>B:.954_:[..U]U-**--A[..A]:.958_:B<.... 5.18 0.82 13.20 7.43 4.48
53 16 9 # 13 x ....>B:.955_:[..U]U-**+-G[..G]:.918_:B<.... 6.28 0.20 31.02 8.38 7.22
35 31 0 # 14 | ....>B:.937_:[..A]A-**--U[..U]:.933_:B<.... 8.03 0.59 19.83 8.07 9.19
36 30 0 # 15 | ....>B:.938_:[..U]U-**--U[..U]:.932_:B<.... 3.49 0.42 7.41 8.69 3.70
37 29 0 # 16 | ....>B:.939_:[..U]U-----A[..A]:.931_:B<.... 0.47 0.41 15.80 8.72 -2.93
38 28 0 # 17 | ....>B:.940_:[..C]C-*---G[..G]:.930_:B<.... 1.93 0.04 14.60 8.77 1.75
39 27 0 # 18 | ....>B:.941_:[..C]C-----G[..G]:.929_:B<.... 0.43 0.25 7.56 8.69 -3.68
40 26 0 # 19 | ....>B:.942_:[..G]G-----C[..C]:.928_:B<.... 0.45 0.23 16.03 8.65 -3.29
41 25 0 # 20 | ....>B:.943_:[..G]G-----C[..C]:.927_:B<.... 0.38 0.19 21.29 8.65 -3.18
42 24 0 # 21 | ....>B:.944_:[..C]C-**--A[..A]:.926_:B<.... 3.44 0.35 10.20 9.92 4.66
9 23 0 # 22 | ....>B:.910_:[..G]G-----C[..C]:.925_:B<.... 0.48 0.25 7.25 8.79 -3.66
10 22 0 # 23 | ....>B:.911_:[..C]C-----G[..G]:.924_:B<.... 0.40 0.03 3.10 8.80 -4.40
11 21 0 # 24 | ....>B:.912_:[..C]C-----G[..G]:.923_:B<.... 0.50 0.35 5.38 9.02 -3.53
12 43 0 # 25 | ....>B:.913_:[..A]A-**+-A[..A]:.945_:B<.... 2.42 0.19 23.42 11.57 3.96
13 7 0 # 26 | ....>B:.914_:[..A]A-**--U[..U]:.908_:B<.... 4.46 0.86 9.49 7.25 3.66
14 46 9 # 27 x ....>B:.915_:[..G]G-**+-C[..C]:.948_:B<.... 4.32 0.07 16.85 8.82 2.30
17 54 1 # 28 + ....>B:.919_:[..G]G-----C[..C]:.956_:B<.... 0.57 0.30 27.76 8.63 -2.45
##### Base-pair criteria used: 4.00 0.00 15.00 2.50 65.00 4.50 7.80 [ O N]
##### 9 non-Watson-Crick base-pairs, and 3 helices (1 isolated bp)
##### Helix #1 (13): 1 - 13 ***broken O3'[i] to P[i+1] linkage***
##### Helix #2 (14): 14 - 27 ***broken O3'[i] to P[i+1] linkage***
##### Helix #3 (1): 28
Из этих данных заметим, что стебли образуются при комплементарном взаимодействии следующих пар участков:
Кроме водородных связей, поддерживающих стебли, можно заметить другие, стабилизирующие третичную структуру тРНК: например, последовательные остатки из 913, 914 и 915 связаны с остатками с номерами 945, 908 и 948 соответственно.
Кроме того, в выдаче программы присутствуют данные о неканонических парах комплементарных оснований: всего таких пар 9, они могут быть обнаружены в 1o0c.fp, например, взаимодействуют нуклеотиды U955 и G918.
С помощью пакета 3DNA возможен также поиск стекинг-взаимодействий между соседними остатками азотистых оснований. В файле lo0c.out присутствует информация о найденном перекрывании соседних пар нуклеотидов:
step i1-i2 i1-j2 j1-i2 j1-j2 sum
1 GG/CC 3.91( 2.46) 0.00( 0.00) 0.34( 0.00) 0.28( 0.00) 4.53( 2.46)
2 GG/CC 3.55( 2.13) 0.00( 0.00) 0.70( 0.00) 0.00( 0.00) 4.25( 2.13)
3 GG/CC 3.84( 2.19) 0.00( 0.00) 1.00( 0.00) 0.00( 0.00) 4.84( 2.19)
4 GU/AC 6.50( 3.59) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 4.39( 2.80) 10.89( 6.39)
5 UA/UA 0.19( 0.00) 0.00( 0.00) 2.20( 1.62) 0.00( 0.00) 2.40( 1.62)
6 AC/GU 2.69( 1.34) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 6.20( 3.20) 8.89( 4.53)
7 CG/CG 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 5.73( 2.87) 0.00( 0.00) 5.73( 2.87)
8 GA/UC 3.95( 2.19) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 2.37( 0.43) 6.32( 2.62)
9 AG/CU 2.89( 2.72) 0.00( 0.00) 0.74( 0.00) 0.00( 0.00) 3.63( 2.72)
10 GG/CC 4.12( 2.43) 0.00( 0.00) 0.87( 0.00) 0.00( 0.00) 4.98( 2.43)
11 GU/AC 6.83( 4.02) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 4.52( 1.80) 11.35( 5.81)
12 UU/GA 4.61( 2.40) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 4.76( 2.88) 9.36( 5.28)
13 UA/UG 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00)
14 AU/UU 4.43( 0.67) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 4.49( 2.31) 8.92( 2.98)
15 UU/AU 2.97( 1.40) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 5.55( 4.19) 8.52( 5.59)
16 UC/GA 2.06( 0.69) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 2.60( 1.09) 4.66( 1.79)
17 CC/GG 0.02( 0.00) 0.00( 0.00) 0.60( 0.00) 3.38( 2.00) 4.00( 2.00)
18 CG/CG 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 5.23( 2.47) 0.00( 0.00) 5.23( 2.47)
19 GG/CC 3.39( 1.94) 0.00( 0.00) 1.01( 0.00) 0.00( 0.00) 4.40( 1.94)
20 GC/AC 5.92( 3.40) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 4.62( 2.52) 10.54( 5.92)
21 CG/CA 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00)
22 GC/GC 3.74( 1.21) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 6.25( 3.16) 9.98( 4.37)
23 CC/GG 0.36( 0.08) 0.00( 0.00) 0.58( 0.00) 2.76( 1.23) 3.70( 1.31)
24 CA/AG 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00)
25 AA/UA 0.00( 0.00) 1.71( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 1.71( 0.00)
26 AG/CU 2.77( 1.05) 0.00( 0.00) 0.06( 0.00) 0.00( 0.00) 2.83( 1.05)
27 GG/CC 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00)
В приведенной таблице в последнем столбце вне скобок указана площадь пересечения между многоугольниками, образованными атомами нуклеотидов, в скобках — только пересечение многоугольников, образованных кольцом азотистого основания. Таким образом, реальное стекинг-взаимодействие по предположению должно быть наиболее сильным для той четверки оснований, где число в скобках максимально. Рассмотрим тогда четвертую группу атомов (атомы, входящие в нее, перечислены в файле stacking.pdb, генерируемом программой analyze. Это пары оснований A967-U906 и C968-G905.
Далее возможно получение стандартного изображения стекинг-взаимодействия: присутствие значительного видимого перекрывания подтверждает гипотезу о наличии стекинг-взаимодействия, выдвинутую на основе данных программы. Стандартное изображение приведено в файле step4.svg
