Комплексы ДНК с белком

Использование команды define

Начнём с использования команды define для выделения различных наборов (sets) атомов. В качестве упражнения напишем скрипт который последовательно (переход между вариантами осуществляется нажатием клавиши Enter) позволит нам выделить следущие части в структуре:

весь комплекс нуклеиновой кислоты и белка
только нуклеиновая кислота в проволочной модели
атомы кислорода 2'-дезоксирибозы (set1)
атомы кислорода в остатке фосфорной кислоты (set2)
атомы азота в азотистых основаниях (set3)

Ссылка на скрипт

Поиск ДНК-белковых контактов в заданной структуре

Интересно проанализировать по каким группам и вообще как происходит контакт белка и нуклеиновой кислоты из нашей структуры pdb. Для этого выделим все те места, где расстояние между различными функциональными группами из белка и ДНК составляет:

не более 3,5 ангстрем между условно "полярными" атомами (азот, кислород)
не более 4,5 ангстрем между условно "неполярными" атомами (углерод, фосфор, сера)

Для выделения и визуализации атомов, участвующих в образовании контактов ДНК с белком написан скрипт: визуализация контактов, который позволяет для любого файла, содержащего комплекс ДНК и белка, выделить атомы следующим образом:

атомы ДНК, участвующие в полярном взаимодействии - синий цвет
атомы ДНК, участвующие в неполярном взаимодействии - желтый цвет
атомы белка, участвующие в полярном взаимодействии - красный цвет
атомы белка, участвующие в неполярном взаимодействии - зелёный цвет

Рис. 1 Выделение атомов, гипотетически участвующих во взаимодействиях нуклеиновой кислоты (ДНК) и белка с использованием команд скрипта 2. Днк показана серым, белок белым, а выделение а выделение взаимодействующих атомов показано в соответствии со схемой в тексте.

Важно отметить, что такое выделение атомов не достаточно точно отражает реальную ситуацию, так как в действительности далеко не все пары атомов, расстояние между которыми 3,5 или же 4,5 ангстрем (для полярного и неполярного взаимодействий соответственно), будут образовывать некое подобие связи. Это может происходить в силу многих причин: наличием между ними других атомов, "неудобным расположением соседних атомов, мешающих контакту и т.п. Таким образом в таблице приведены подсчёты максимальных значений для числа контактов каждого типа.

Контакты атомов белка с:	Полярные	Неполярные	Всего
1) остатками 2'-дезоксирибозы	1	12	13
2) остатками фосфорной кислоты	9	6	15
3) остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки	1	8	9
4) остатками азотистых оснований со стороны малой бороздки	2	0	2

Проанализируем данные, представленные в таблице. Во-первых, считаю почти невозможным образование неполярных взаимодействий с участием остатка фосфорной кислоты, так как полярные кислороды будут явно тому препятствовать. Во-вторых, отмечу, что из таблицы явно видно преимущественное участие в образовании взаимодействий именно атомов остова, по сравнению с основаниями в центре двойной спирали. В-третьих, атомы оснований, обращённые в большую бороздку, образуют больше связей.

Использование программы nuclpot

Для получения наглядной схемы контактов в молекуле ДНК была использована программа nuclpot. Она выдаёт несколько файлов различного формата. Но нас в первую очередь интересует популярная схема, отражающая контакты каждого нуклеотида из ДНК с различными молекулами окружения (вода, белок, ионы). Визуализация выполнена с помощью программы GSview, которая открывает файлы формата .ps.

Рис. 2 Иллюстрация контактов цепей ДНК, полученная с помощью программы nuclpot

Я считаю, что, исходя из полученной схемы взаимодействий, можно заключить важность для взаимодействия остатка А29, ведь он взаимодействует как остатком фосфорной кислоты, так и остатком дезоксирибозы. Если говорить, о том, какой остаток важен для распознавания этого фрагмента ДНК, то можно отметить остатки T27 и C33, так как только в них происходит непосредственное образование водородных связей между остатком азотистого основания (а они разные у разных нуклеотидов) и боковым радикалом цепи белка. Схемы, иллюстрирующие взаимодействия вышеупомянутых остатков представлены на рисунках 3-5.


Рис. 3 Взаимодействие DA 29 с белком. Показаны 4 аминокислотных остатка и молекула воды, стабилизированная в структуре. Чёрным показаны различные типы взаимодействий: как водородные связи, так и неполярные виды связи.	Рис. 4 Примеры взаимодействий (DT 27 и DC 33), когда в образовании водородных связей участвует остаток азотистого основания (обеспечение специфичности).

Предсказание вторичной структуры транспортной РНК

В то время как для ДНК вторичная структура в большинстве случаем вполне ясна, так как она получается при комплиментарном объединении двух цепочек нуклеотидов, то для РНК она может быть очень и очень сложной, содержащей в своём составе комбинации многих разнообразных элементов. Именно этому будет посвящена вторая часть этой странички.

Предсказание вторичной структуры методом поиска инвертированных повторов

В этом задании мы используем новые подходы к выявлению участков спаривания во вторичной структуре тРНК:
1) команду einverted, которая позволяет найти инвертированные участки в последовательности:
работает эта команда с файдом последовательности в формате .fasta, кроме того требуется задать некоторые начальные параметры, а именно:

Штраф за пропуск (Gap penalty): -5
Минимальное количество набранных очков (Minimum score threshold): 20
Штраф за несоответствие (Mismatch penalty): -10
Количество очков за правильное соответствие (Match score): 10

2) команду mfold, реализующую алгоритм Зукера - алгоритм, позволяющий найти оптимальную вторичную структуру ДНК с наименьшей энергией. Использует методы динамического программирования, предложен в 1981 году.
При работе с командой mfold обратим внимание на некоторый параметр P, который показывает, на сколько процентов по энергии может отличаться предсказанная структура от оптимальной, таким образом вполне очевидно, что с ростом параметра Р будет происходить увеличение количества возможных вариантов строения макромолекулы.
При росте параметра P увеличивалось количество различных предсказаний, но те, что действительно похожи на реальную структуру транспортной РНК, появлялись преимущественно при низких значениях P (0-5%). Один из таких результатов представлен ниже.

Рис. 4 Результат предсказания вторичной структуры транспортной РНК с использованием алгоритма Зукера. Использовался веб интерфейс для запуска программы mfold Mobyle @Pasteur

Проведём сравнения наших результатов из этого блока с теми, что получены в предыдущем задании с использованием команды find_pair. Результаты такого сравнения приведены в таблице.

Участок структуры / Способ определения	Позиции в структуре (по результатам find_pair)	Результаты предсказания с помощью einverted	Результаты предсказания по алгоритму Зукера
Акцепторный стебель
D-стебель
T-стебель
Антикодоновый стебель
Общее число канонических пар нуклеотидов

Ведётся дальнейшая работа над страницей.