A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Задание 1

Для начала с помощью программы fiber пакета 3DNA были получены PDB-файлы A-, B- и Z-форм дуплекса ДНК. Команда для получения А-формы выглядит так:
fiber -a fiber_A.pdb

Задание 2

На рис. 1-3 показана А-форма ДНК. Требовалось выделить

1. сахарофосфатный остов ДНК;
2. все нуклеотиды;
3. все аденины;
4. атом N7 во всех гуанинах и/или только в первом по последовательности.

Рис. 1. А-форма ДНК. Фиолетовым выделен сахарофосфатный остов, азотистые основания покрашены по типу атомов

Рис. 2. А-форма ДНК. Голубым цветом покрашены нуклеотиды с гуанином, розовым - с аденином, фиолетовым - с тимином, коралловым - с цитозином. Атомы N7 гуанина показаны шариками

Рис. 3. А-форма ДНК. Красным цветом выделены все аденины

Далее были получены структуры ДНК и РНК с сайта PDB.
ДНК: 1LQ1.pdb
РНК: 1C0A.pdb

Проверим структуры на наличие разрывов. На рис. 4 представлена ДНК из файла 1LQ1.pdb. Есть один двуцепочечный разрыв. Ближайшие к нему азотистые основания сильно отклонены в сторону, то есть причина не в ошибке рентгеноструктурного анализа. Видимо, разрыв связан с деятельностью белка.

Рис. 4. Структура ДНК из файла 1LQ1.pdb. Есть двуцепочечный разрыв в середине

На рис. 5 показана структура т-РНК из файла 1C0A.pdb. Разрывов нет.

Рис. 5. Структура т-РНК из файла 1C0A.pdb. Разрывов не обнаружилось

Для дальнейшей работы сохраним координаты только ДНК и РНК в отдельных файлах.
ДНК: 1LQ1_dna.pdb
РНК: 1C0A_rna.pdb

Задание 3

A-, B- и Z-формы ДНК отличаются тем, что одни и те же атомы направлены к разным бороздкам. На рис. 6 показана структура В-формы ДНК. Выделены атомы цитозина, которые смотрят в сторону малой бороздки: O2, N1, C2. В Z-форме ДНК они тоже направлены к малой бороздке, а вот в А-форме, напротив, к большой.

Рис. 6. В-форма ДНК. Выделены атомы цитозина O2, N1, C2

Изображение цитозина в ChemSketch приведено на рис. 7. Файл с работой в ChemSketch: загрузить.

Рис. 7. Цитозин в В-форме ДНК

Для дальнейшего сравнения A-, B- и Z-форм ДНК заполним таблицу 1.

Таблица 1. Сравнение основных параметров разных форм ДНК

Для определения шага спирали измерялось расстояние между атомами фосфора, расположенных друг под другом. Результат показан на рис. 8.

Рис. 8. Измерение шага спирали для A-, B- и Z-формы ДНК соотвестственно

Задание 4

Посчитаем торсионные углы нуклеотида с цитозином и сравним значения для А-, B- и Z-формы ДНК, а также для т-РНК, структура которой приведена выше. Результат - в таблице 2. Названия торсионных углов можно посмотреть на рис. 9.

Рис. 9. Торсионные углы нуклеотида

Таблица 2. Торсионные углы в разных формах ДНК и РНК

В наибольшей степени различаются значения углов β и ζ. По значениям торсионных углов можно сделать вывод, что т-РНК находится в А-форме. Действительно, из-за ОН-группы она не может принимать другие формы.

Для получения информации о файлах с сайта PDB были выполнены следующие команды bash:
remediator --old ''XXXX.pdb'' > ''XXXX_old.pdb''
find_pair -t XXXX_old.pdb stdout | analyze

В файле под названием XXXX_old.out можно найти информацию о торсионных углах каждого нуклеотида.
Для заданных ДНК и РНК данные были сведены в таблицу Excel: загрузить
В таблице желтым цветом выделены самые отклоняющиеся значения углов и номера самых "деформированных" нуклеотидов.

Также в файле XXXX.out есть информация о водородных связях между азотистыми основаниями. Для т-РНК данные приведены в таблице 3.
Неканонические пары оснований: 604G-669U, 649G-665PSU, 655PSU-618G, 638C-632C, 644G-626A, 610G-625U, они выделены в таблице жирным.
Есть водородные связи, которые не образуют стебли: 654_5MU-658A, 655PSU-618G, 614A-608_4SU, 615G-648C, 619G-656C. Они стабилизируют структуру РНК.

Таблица 3. Водородные связи во вторичной структуре т-РНК

Используя информацию о стекинг-взаимодействиях из файла XXXX.out, можно найти пары азотистых оснований с максимальной площадью перекрывания. Чтобы получить изображение стекинг-взаимодействия для т-РНК, были выполнены команды:
ex_str -12 stacking.pdb step12.pdb
stack2img -cdolt step12.pdb step12.ps

Полученная картинка - на рис. 10.

Рис. 10. Стекинг-взаимодействие азотистых оснований т-РНК с максимальной площадью перекрывания