مقالة منهجية

تحليل وبناء هياكل الحمض النووي مع 3DNA

DOI:

10.3791/4401

⸱

أبريل 26, 2013

 ,  , 
1Department of Chemistry & Chemical Biology and BioMaPS Institute for Quantitative Biology, Rutgers - The State University of New Jersey, 2Department of Biological Sciences, Columbia University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

حزمة البرامج 3DNA هو أداة المعلوماتية الحيوية الشعبية وتنوعا مع قدرات لتحليل وبناء وتصور هياكل الحمض النووي ثلاثي الأبعاد. تقدم هذه المقالة بروتوكولات وإجراءات تفصيلية لمجموعة فرعية من الميزات الجديدة وشعبية المتاحة في 3DNA، التي تنطبق على كل الهياكل الفردية ومجموعات من الهياكل ذات الصلة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

حزمة البرامج 3DNA هو أداة المعلوماتية الحيوية الشعبية وتنوعا مع قدرات لتحليل وبناء وتصور هياكل الحمض النووي ثلاثي الأبعاد. تقدم هذه المقالة بروتوكولات وإجراءات تفصيلية لمجموعة فرعية من الميزات الجديدة وشعبية المتاحة في 3DNA، التي تنطبق على كل الهياكل الفردية ومجموعات من الهياكل ذات الصلة. بروتوكول 1 يسرد مجموعة من التعليمات اللازمة لتحميل وتثبيت البرنامج. ويتبع هذا، في بروتوكول 2، من خلال تحليل بنية الحمض النووي، بما في ذلك التنازل عن أزواج قاعدة وتحديد المعلمات جامدة الجسم التي تصف بنية و، في بروتوكول 3، وصفا لإعادة إعمار لذرية نموذج لهيكل من معالمها جامدة للجسم. أحدث إصدار من 3DNA، الإصدار 2.1، ميزات جديدة لتحليل والتلاعب في مجموعات من الهياكل، مثل تلك استنتاجها من صدى (NMR) القياسات المغناطيسية النووية والجزيئية الحيوية (MD) المحاكاة؛ يتم عرض هذه الميزات في بروتوكولات 4 و 5. بالإضافة إلى حزمة برامج قائمة بذاتها 3DNA، خادم الويب w3DNA، وتقع في http://w3dna.rutgers.edu ، يوفر واجهة سهلة الاستخدام لميزات مختارة من البرنامج. بروتوكول 6 يوضح ميزة الرواية من الموقع لبناء نماذج من جزيئات الحمض النووي طويلة مزينة بروتينات محددة في مواقع المحددة من قبل المستخدم.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

فهم هياكل ثلاثية الأبعاد من الحمض النووي، والجيش الملكي النيبالي، والمجمعات الخاصة بهم مع البروتينات، والمخدرات، وبروابط أخرى، أمر بالغ الأهمية من أجل فك رموز الوظائف البيولوجية المتنوعة،، والسماح التصميم الرشيد للمداواة. استكشاف مثل هذه الهياكل يستلزم ثلاثة منفصلة، ​​والمكونات حتى الآن يرتبط ارتباطا وثيقا: تحليل (لاستخراج أنماط في الأشكال والتفاعلات)، والنمذجة (لتقييم علم الطاقة والديناميات الجزيئية)، والتصور. التحليل الهيكلي وبناء النموذج هي في الأساس وجهان لعملة واحدة، والتصور يكمل كل منهما.

جناح 3DNA برامج الكمبيوتر هو شعبية متزايدة الهيكلية المعلوماتية الحيوية أدوات مع قدرات لتحليل وبناء وتصور هياكل الحمض النووي ثلاثي الأبعاد. أوجز المنشورات في وقت سابق قدرات البرنامج 1، شريطة وصفات لأداء المهام المحددة 2، عرض واجهة على شبكة الإنترنتإلى ميزات شعبية من البرنامج 3، جمعت قواعد البيانات المقدمة من السمات الهيكلية باستخدام 3DNA 4 و 5 و يتضح مدى فائدة البرنامج في تحليل كل من الحمض النووي RNA والهياكل 6، 7.

الهدف من هذه المقالة هو لتحقيق عدة برامج 3DNA لعلماء المختبرات وغيرهم من ذوي المصالح و / أو احتياجات للتحقيق في الحمض النووي RNA والتنظيم المكاني مع الأدوات الحسابية للدولة من بين الفن. البروتوكولات المعروضة هنا تشمل إرشادات خطوة بخطوة (ط) لتحميل وتثبيت البرنامج على نظام التشغيل Mac OS X نظام، (II-III) لتحليل وتعديل هياكل الحمض النووي على مستوى الخطوات قاعدة بين زوج التأسيسية، ( IV-V) لتحليل ومحاذاة مجموعات من الهياكل الحمض النووي ذات الصلة، و (السادس) لبناء نماذج من سلاسل الحمض النووي البروتين مزينة سهلة الاستخدام w3DNA اجهة ويب. البرنامج لديه القدرة على تحليل الهياكل الفردية حلها باستخدام طرق البلورات بالأشعة السينية، فضلا عن كبيرمجموعات من الهياكل مصممة مع (NMR) طرق الرنين المغناطيسي النووي أو التي تم إنشاؤها بواسطة تقنيات الكمبيوتر المحاكاة.

الهياكل درست هنا تشمل (ط) هيكل الكريستال عالية الدقة من الحمض النووي ملزمة للبروتين سداسي البروم ثنائي الفينيل من burgdorferi البورلية 8 (البكتيريا التي تنتقل عن طريق القراد التي تسبب مرض لايم في البشر 9، 10)، (الثاني) اثنين من مجموعات كبيرة من بالتتابع جزيئات الحمض النووي ذات الصلة المنتجة مع المحاكاة الجزيئية 11 - لقطات من 4،500 د (GGCAAAATTTTGCC) 2 د (CCGTTTTAAAACGG) 2 التي تم جمعها في زيادات 100-psec خلال العمليات الحسابية، و (الثالث) فرقة صغيرة من الهياكل القائمة على NMR من المشغل DNA O3 منضمة إلى أغطية الرأس من الإشريكية القولونية لاك قامع البروتين 12. وتشمل الإرشادات أدناه معلومات عن كيفية الوصول إلى الملفات من إحداثيات الذرية المرتبطة بكل من هذه الهياكل وكذلك كيفية استخدام 3DNA (تم العثور على نسخة من هذا الملفعلى المنتدى 3DNA في http://forum.x3dna.org/jove ) لدراسة وتعديل هذه الهياكل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تثبيت حزمة برامج

  1. الاتصال بموقع ويب 3DNA في http://x3dna.org واضغط على الرابط للمنتدى 3DNA. داخل المنتدى الضغط على رابط 'التسجيل' واتبع الإرشادات لإنشاء حساب جديد.
  2. التثبيت بالتفصيل الإرشادات التالية من البرنامج على جهاز كمبيوتر ماكنتوش OS X القائم مع شركة شل افتراضية 'باش. تم العثور على الإجراء لأنظمة لينكس أو ويندوز (سيغوين، مينغو / MSYS) مع قذائف يشيع استخدامها (بما في ذلك 'tcsh') داخل المنتدى 3DNA.
  3. وبمجرد الانتهاء من إنشاء اسم المستخدم وكلمة المرور، تسجيل الدخول إلى المنتدى. اختر رابط 'التحميل' في قسم الترحيب وعلى الصفحة الجديدة اختيار '3 تحميل الحمض النووي '. هذا وسوف تجلب لك إلى صفحة التحميل 3DNA حيث يمكن تحميل إصدارات مختلفة من البرنامج.
  4. حدد نظام التشغيل Mac OS X رابط إنتل لتحميل ملف مضغوط كتل القطران (TAR.GZ) التي تحتوي على البرنامج.
  5. أنقر مزدوجك على ملف (TAR.GZ) لإنشاء مجلد باسم x3dna-V2.1. هذا المجلد، الذي يحتوي على برمجيات 3DNA، يمكن نقلها إلى أي مكان. لغرض هذه الوصفة، ونحن اسحب وأسقطه في الدليل 'تطبيقات'. في هذه المرحلة تكون قد انتهيت مع tar.gz الملف ويمكن حذفه.
  6. فتح التطبيق الطرفية، التي توجد عادة تحت 'المرافق'، وتغيير إلى الدليل x3dna-V2.1 بإنشائه في الخطوة 5 باستخدام الأمر التالي (انتهت هنا وفي كل التعليمات التالية قبل إرجاع):
    مؤتمر نزع السلاح / Applications/x3dna-v2.1
  7. تشغيل البرنامج النصي الإعداد اللازمة ل3DNA لتعمل بشكل صحيح عن طريق كتابة:
    ./bin/x3dna_setup
  8. نسخ إعدادات تصدير بخطين المطبوعة في الخطوة 7. إذا كان المستخدم قد وضعت البرنامج في دليل 'تطبيقات'، يجب أن يظهر سطرين كما يلي:
    تصدير X3DNA = / Applications/x3dna-v2.1
    تصدير PATH = / Applications/x3dna-v2.1/bin: $ PATH
    وكلمة مختلفة إلى جانب 'تطبيقات' APPEع في الأمر تصدير إذا اختارت المستخدم لتثبيت البرنامج في دليل مختلف. وهذا اسم الدليل بديلة تحل محل 'تطبيقات' في أعلاه الأمرين. لاحظ أنه إذا كان shell الافتراضي هو 'tcsh' بدلا من 'باش، ومضمون السطرين سيكون: setenv X3DNA / Applications/x3dna-v2.1 وsetenv PATH / Applications/x3dna-v2.1/bin: $ PATH.
  9. تحقق في 'الباحث' لمعرفة ما اذا كان ملف اسمه '. bashrc' موجود بالفعل على جهاز الكمبيوتر الخاص بك.
  10. فتح تطبيق برنامج TextEdit موجودة في الدليل على 'تطبيقات' وحدد 'جعل النص عادي' ضمن القائمة 'تنسيق'.
  11. إذا ملف '. bashrc' من الخطوة 9 موجود، فتح الملف في برنامج TextEdit ولصق إعدادات التصدير من الخطوة 8 إلى نهاية الملف. إذا مخارج ملف لا '. bashrc'، لصق إعدادات التصدير من الخطوة 8 إلى ملف فارغ وحفظ مع اسم الملف '. bashrc' في الدليل الرئيسي الخاص بك. (ويشار إلى الدليل الرئيسي بواسطة رمز "منزل" على ماكنتوش.)
  12. من أجل أن الإعدادات الجديدة بالإلكترونية المتاحة، يجب تشغيل ملف 'bashrc.' المحفوظة حديثا باستخدام الأمر التالي ضمن برنامج المحطة الطرفية:
    المصدر ~ /. bashrc
  13. تم تثبيت جناح 3DNA الآن على النظام الخاص بك ويمكنك تنفيذ البروتوكولات 2-5 ضمن برنامج المحطة الطرفية. يتم تنفيذ البروتوكول 6 باستخدام w3DNA، واجهة ويب لميزات مختارة من البرنامج 3DNA.

2. تحليل هيكل الكريستال

  1. نحن توضح تحليل بنية الحمض النووي باستخدام الحمض النووي ملزمة للبروتين سداسي البروم ثنائي الفينيل من burgdorferi البورلية 8. ملف إحداثيات الذرية مرتبطا بهذه البنية، ويمكن الاطلاع على بيانات البنك بروتين 13 (PDB؛ http://www.rcsb.org )، حيث يتم تعيينه 2np2 المعرف الهيكلي. تشمل البيانات التكميلية المصاحبة نسخة من هذا الملف، والتي يمكن أيضا أن تكون موجودة على المنتدى 3DNA في http://forum.x3dna.org/jove.
  2. الخطوة الأولى في التحليل 3DNA للهيكل هو إنشاء ملف يسرد كافة القواعد المقترنة. يتم ذلك مع برنامج 'find_pair' بكتابة ما يلي:
    find_pair 2np2.pdb 2np2.bps
    هنا 2np2.pdb هو ملف إدخال الإحداثيات الذرية المذكورة أعلاه و2np2.bps هو ملف نصي الإخراج الذي يحتوي على معلومات قاعدة الاقتران. يمكن فحص ملف قاعدة الزوج الأخير وتحريرها من قبل المستخدم إذا لزم الأمر.
  3. الخطوة التالية في التحليل هو تحديد المعلمات الهندسية التي تميز هيكل. وتشمل هذه الزوايا معيار التواء الكيميائية 14، زوايا pseudorotation التي تصف التجعيد من الحلبة السكر 15، المعلمات جامدة الجسم التي تحدد الترتيبات قواعد وأزواج قاعدة المتتالية 16، وغيرها من التدابير من التركيب الكيميائي ثلاثي الأبعاد. الأمر 'تحليل' يأخذ كمدخل ملف قاعدة بين زوج إنشاؤها في الخطوة 2 ويخلق العديد من OUملفات tput، والتي تظهر في دليل العمل الحالي. وتحسب هذه القيم عن طريق كتابة الأمر التالي:
    تحليل 2np2.bps
    ملفات الإخراج المستخدمة هنا تشمل 2np2.out، والذي يحتوي على لمحة عامة عن المعلمات محسوب، وbp_step.par، الذي يحتوي على قائمة من جامدة للجسم المعلمات المذكورة أعلاه. الملف الأخير يمكن قراءتها بسهولة في برنامج جداول البيانات لمزيد من التحليل والتخطيط. رؤية النتائج الممثل (الشكل 1) على سبيل المثال.

3. بناء بنية الحمض النووي من معلمات جامدة للجسم

  1. بالإضافة إلى تحليل بنية الحامض النووي، والبرنامج 3DNA يوفر القدرة على بناء نموذج الهيكلي من المعلمات جامدة الجسم باستخدام الأمر 'إعادة البناء'. في هذا البروتوكول وتبين لنا كيفية بناء اثنين من الحمض النووي حلزونية نماذج، الأول باستخدام المعلمات جامدة للجسم من مجمع سداسي البروم ثنائي الفينيل-DNA كما حسبت في البروتوكول 2 ثم باستخدام مجموعة معدلة من المعلمات في ثيتم تغيير زوايا hich لفة المحددة. يقيس زاوية لفة درجة الانحناء من أزواج قاعدة المتعاقبة في الأخاديد من الحمض النووي 16. ترتبط القيم الإيجابية من لفة مع تضييق أخدود الرئيسية والقيم السلبية مع تضييق الأخدود طفيفة. في إطار مرجعية معيارية 17 التي اعتمدتها شعبية النووي برمجيات تحليل حمض 3DNA وغيرها، على سبيل المثال المنحنيات + 18، ويؤكد الاتساق العددي في المعلمات المحسوبة من أزواج قاعدة واتسون كريك.
  2. افتراضيا، سيكون وظيفة 3DNA 'إعادة البناء' خلق نماذج الذرية الدقيقة التي تحتوي فقط على إحداثيات من الذرات في القواعد النيتروجينية. من أجل خلق النموذج الذري تقريبي، والذي يتضمن إحداثيات كلا من العمود الفقري والذرات قاعدة، اكتب الأمر التالي:
    x3dna_utils cp_std bdna
    هذا الأمر يرشد 3DNA لإدخال معيار B-DNA التشكل العمود الفقري في بناء نماذج من المعلمات جامدة للجسم.
  3. لبويLD نموذج المزدوج حلزونية مع المعلمات جامدة الجثة التي عثر عليها في بنية سداسي البروم ثنائي الفينيل-DNA، اكتب ما يلي:
    إعادة بناء الذرية bp_step.par 2np2_rbld_org.pdb
    هنا 'الذرية' يحدد بناء كل نموذج ذرة مع إحداثيات الذرية لجميع الثقيلة (غير الهيدروجين) الذرات، 'bp_step.par' هو الملف الذي تم إنشاؤه في الخطوة 3 من البروتوكول (2) الذي يحتوي على المعلمات جامدة للجسم المدخلة ، و'2 np2_rbld_org.pdb 'هو ملف الإخراج مع إحداثيات الذرية لهيكل بإنشائه. يتم تنسيق الملف الأخير وفقا للمواصفات PDB، وبالتالي إنهاء مع '. PDB'.
  4. يمكن تحرير ملف 'bp_step.par' لإنشاء الهيكل المعدل. على ماكنتوش، التغييرات لا يمكن أن يؤديها باستخدام تطبيق برنامج TextEdit كما هو موضح في البروتوكول 1 الخطوة 10.
  5. نحن هنا تعديل زوايا لفة المتطرفة التي تشكلت في موقعين من أعظم الانحناء. يتم تغيير القيم، التي يتم التعبير عنها في درجة، إلى الصفر من قيم 64.95 في خط 17 و 60.93 في خط 26. نحن حفظ ملف تم تعديله باسم جديد، 'bp_step_roll0.par'، وأغلق البرنامج برنامج TextEdit.
  6. نحن نبني هيكل، كما في الخطوة 3، مع مجموعة معدلة من المعلمات الخطوة ملف الإدخال عن طريق كتابة:
    إعادة بناء الذرية bp_step_roll0.par 2np2_rbld_roll0.pdb
  7. ويمكن الاطلاع على النموذجين في عارض الجزيئية القياسية، مثل PyMOL ( www.pymol.org )، وذلك باستخدام ملفات تنسيق ولدت (. PDB) كإدخال. رؤية النتائج الممثل (الشكل 2) للصور من الهياكل إعادة بنائها.

4. تحليل ملفات هيكل متعدد نموذج

  1. وعلى النقيض من البروتوكول رقم 2، الذي نقوم بتحليل بنية حمض النووي المحتوية-أحادية، وهنا نعرض كيفية تحليل فرقة كبيرة من الهياكل. ندرس الاختلاف مع مرور الوقت من المعلمات جامدة للجسم على طول سلسلة من سلاسل الحمض النووي قاعدة 14-الزوج الحصول عليها من ديناميات الجزيئية (MD) المحاكاة 11 . ويرى تحليل الهياكل 4،500، الذي متباعدة في زيادات 100-psec في حساب MD، وحفظها في ملفات منفصلة 4،500. تشمل البيانات التكميلية المصاحبة نسخ من هذه الملفات وكذلك مجموعة من 4،500 الملفات الأخرى لمحاكاة الحمض النووي مع تسلسل عكسي (انظر النص التمهيدي للنظام دقيق للقواعد). مجموعتين من الملفات ومجموعة فرعية صغيرة من البيانات يمكن أيضا العثور على المنتدى 3DNA في http://forum.x3dna.org/jove .
  2. الخطوة الأولى في التحليل هي نفسها التي أجريت في بروتوكول 2، وتحديد القواعد المقترنة عن طريق تشغيل برنامج 'find_pair'. منذ مجموعة كاملة من أسهم الهياكل نفس مخطط قاعدة الاقتران يحتاج المرء لتشغيل 'find_pair' مرة واحدة فقط على ملف ممثل. هنا علينا أن نختار هيكل 1001 في محاكاة سلاسل الحمض النووي يحتوي على الوسطى في خطوة، مع اسم الملف md_AT_set1.pdb.1001. الأجناس التعليمات التاليةقسم التدريب والامتحانات المعلومات قاعدة الاقتران ويخزنها في md_AT_set1.bps الملف:
    find_pair md_AT_set1.bps md_AT_set1.pdb.1001
    يمكن للمستخدم فحص قاعدة حددت التقشير وإجراء تغييرات يدوية في الملف على أساس المعرفة للهيكل.
  3. والخطوة التالية هي لتحديد المعلمات الهندسي للمجموعة كاملة من الهياكل باستخدام 'x3dna_ensemble تحليل' الأمر. يستخدم البرنامج كمدخل ملف قاعدة بين زوج إنشاؤها في الخطوة 2 (md_AT_set1.bps)، فضلا عن ملف يحتوي على قائمة من الهياكل التي سيتم تحليلها. الملف الأخير، هنا دعا md_AT_set1.list، يحتوي على ملفات 4،500 ليتم تحليلها، مع أسماء الملفات التي تم إدخالها على خطوط الفردية في النظام الناتجة عن محاكاة MD. يتم تضمين نسخة من هذا الملف في المواد التكميلية، وعرضت أيضا في المنتدى 3DNA. يجب تحذير للمستخدم، نظرا لوجود عدد كبير من الملفات، أن الوقت الحسابية يمكن أن تكون طويلة (~ 20 دقيقة لكل 1،000 الملفات على معالج Phenom II X4 965 المعالج). اليتم تشغيل الأوامر الإلكترونية عن طريق كتابة ما يلي:
    x3dna_ensemble تحليل-B-L md_AT_set1.bps md_AT_set1.list-O md_AT_set1.out
    في المثال أعلاه يخص "-B" إلى ملف قاعدة الزوج بإنشائه في الخطوة 2، '-L' يحدد أن قائمة من الملفات وتعطى، و '-O' تسمح للمستخدم لتعيين اسم لملف الإخراج. هناك العديد من الخيارات التي يمكن استخدامها جنبا إلى جنب مع 'x3dna_ensemble تحليل' الأمر، مثل اختيار نماذج محددة. يمكن للمستخدم اكتب 'x3dna_ensemble تحليل-H' للحصول على مزيد من المعلومات حول هذه الخيارات.
  4. والخطوة التالية هي لاستخراج المعلمات جامدة للجسم المطلوب من ملف الإخراج نظرة عامة، وmd_AT_set1.out، ولدت في الخطوة 3. يتم تنفيذ ذلك باستخدام الأمر 'x3dna_ensemble استخراج'. وهناك قائمة من المعايير الهندسية المتاحة ويمكن العثور عليها عن طريق الكتابة 'x3dna_ensemble استخراج-L'. هنا نحن استخراج الزوايا لفة وإنشاء ملف نصي مفصولة بفواصل (CSV) من زوايا لفة مع الأمر التالي:
    x3dna_ensemble استخراج-Pلفة-S، F-md_AT_set1.out-O md_AT_set1_roll.csv
    و'لفة-P' في هذا الأمر تعين المعلمة ليكون استخراجه، و '-S،' يدل على ملف مفصولة بفواصل، و '-F' يدل على ملف الإخراج التي تم الحصول عليها من الفرقة تحليل الأمر، و '-O "يسمح للمستخدم على سبيل المثال ملف الإخراج CSV من زوايا لفة على طول الحمض النووي في جميع الهياكل تحليلها. ويمكن قراءة هذا الملف في برامج أخرى لمزيد من التحليل والتخطيط. رؤية النتائج الممثل (الشكل 3) لتحليل التباين في لفة في اثنين من مجموعات البيانات MD-المولدة المذكورة أعلاه والمنتدى 3DNA للبرنامج النصي MATLAB المستخدمة لتوليد هذه الصور.

5. تراكب من الهياكل متعدد نموذج على إطار مرجعي مشترك

  1. أحدث إصدار من 3DNA (الإصدار 2.1) لديه ميزة جديدة تسمح للمستخدم أن ننظر إلى هياكل متعددة من منظور مشترك. و'x3dna_ensemble إعادة توجيه' الأمر تطغى مجموعة من متطوره ذات صلةES على زوج قاعدة مشتركة أو خطوة قاعدة بين زوج. بروتوكول التالية تنطبق عليها هذه القدرة على الهياكل NMR المستمدة من المشغل DNA O3 منضمة إلى أغطية الرأس من لاك قامع البروتين 12. يتم تخزين هذه الهياكل في PDB تحت 2kek معرف في ملف الهيكلية المتعددة النماذج، والذي يحتوي على جميع النماذج هيكل في ملف واحد، على عكس ملفات منفصلة مثل تلك المستخدمة في كل من النماذج 4،500 في البروتوكول 4. تشمل البيانات التكميلية المصاحبة نسخة من هذا الملف، والتي يمكن أيضا أن تكون موجودة على المنتدى 3DNA في http://forum.x3dna.org/jove .
  2. كما هو الحال في بروتوكولات السابقة، فإن الخطوة الأولى هي حساب الاقتران قاعدة من الحمض النووي مع برنامج "find_pair '. في هذه الحالة نستخدم كمدخل ملف '2 kek.pdb 'ثم اكتب ما يلي:
    find_pair 2kek.pdb 2kek.bps
    يتم إنشاء قاعدة الاقتران باستخدام النموذج الأول في ملف PDB. تصويبات دليل للب أنتجملف بورصة عمان بين زوج، '2 kek.bps '، يمكن أن يتم على أساس المعرفة للهيكل.
  3. برنامج 'x3dna_ensemble إعادة توجيه "سيتم محاذاة النماذج الفردية في هيكل متعدد نموذج على إطار مرجعي مشترك. هذا البرنامج يتطلب كل ملف PDB وملف قاعدة الاقتران من الخطوة السابقة كمدخل ويتم تشغيل مع الأمر التالي:
    x3dna_ensemble إعادة توجيه-B 2kek.bps-F 1-E 2kek.pdb-O 2kek_fr1.pdb
    هنا يحدد خيار "-B" ملف قاعدة الاقتران، و 'F-1' يدل على الزوج الأساس الذي يتم محاذاة جميع الهياكل، في هذه الحالة الزوج قاعدة 1 في 5'-نهاية حبلا تسلسل الحاملة، و'-E' يحدد ملف الفرقة المدخلات، و '-O' تسمح للمستخدم لتوفير اسم ملف الإخراج، في هذه الحالة '2 kek_fr1.pdb '. ويمكن الحصول على مزيد من المعلومات حول خيارات الأوامر بكتابة 'x3dna_ensemble إعادة توجيه-H'. رؤية النتائج الممثل (الشكل 4) لمناقشة الهياكل الانحياز.

6. بناء الطرقكشن من البروتين مزينة جزيء الحمض النووي

  1. ويشمل واجهة ويب w3DNA بعض الملامح شعبية من حزمة البرامج التي 3DNA. هنا نود أن نلفت الانتباه إلى القدرة على بناء نماذج ثلاثية الأبعاد للبروتين مزينة الحمض النووي مع خادم الويب. شظايا الحمض النووي ملزمة اعتماد المعايير الصارمة للجسم المحدد المجمعات البروتين DNA، وهنا القيم من الحمض النووي ملزمة للبروتين سداسي البروم ثنائي الفينيل في تحليل بروتوكول 2. يمكن للمناطق غير منضم من الحمض النووي اعتماد واحد من ثلاثة أشكال حلزونية مختارة المستخدم (A، B، C أو). وA، B، C والرجوع إلى ثلاثة نماذج الكنسي من الحمض النووي، التي تم الحصول عليها من تجارب حيود الألياف في وقت مبكر، مع على التوالي 11 و 10 و 9 أزواج قاعدة في مطلع الحلزون المزدوج 19-21.
  2. الخطوة الأولى في بناء نموذج DNA زينت البروتين هو لزيارة موقع w3DNA تقع في http://w3dna.rutgers.edu . اختيار 'إعمار' من القائمة في أعلى الجانب الأيسر من الصفحة موارد الوراثية الحيوانيةvates قدرات بناء نموذج على الانترنت.
  3. الخطوة التالية هي اختيار رابط 'قالب بروتين الحمض النووي ملزمة' وجدت في المربع المظلل بخفة في منتصف الصفحة الجديدة. وهذا الاختيار تنشيط القائمة المنسدلة، والذي يسمح للمستخدم لتحديد عدد من البروتينات ملزمة. هنا نختار اثنين من البروتينات المربوطة وانقر على زر "متابعة". لاحظ أن نماذج محدودة في الحجم إلى 1،000 أزواج قاعدة، أو 2،000 النيوكليوتيدات، وثلاثين البروتينات ملزمة.
  4. اختيار عدد من البروتينات ملزمة يؤدي إلى صفحة مواصفات مماثلة لتلك التي تظهر في الشكل 5. هذه الصفحة يسمح للمستخدم لتحديد تسلسل الحمض النووي، وشكل حلزوني من الحمض النووي غير منضم، وهويات ومواقع من البروتينات ملزمة.
  5. أنواع المستخدم أو المعاجين في التسلسل المطلوب في مربع النص في منتصف الصفحة مواصفات (الشكل 5، تسمية 1). ملاحظة فقط بقايا القياسية - A، T، C، G، وU - يتم قبول. نحن هنا إدخال 81 هوم قاعدة بين زوجopolymer، تتألف كليا من A · T أزواج مع A في حبلا تسلسل الحاملة.
  6. هناك القائمة المنسدلة (الشكل 5، تسمية 2)، أسفل مربع النص، لتحديد التشكل حلزونية من المناطق غير منضم من الحمض النووي. في هذا المثال نختار التشكل B-النموذج.
  7. هناك مربع النص بالقرب من أسفل الصفحة مواصفات للدخول في وضع الربط (ق) واسم الملف (الملفات) من البروتين منضم (ق) (الشكل 5، التسمية 3). يحدد موقف ملزم موقع مركز شظية المرتبط بالبروتين على تسلسل الحمض النووي. إذا كان الحمض النووي منضم يحتوي على عدد فردي من الأزواج الأساسية، كما هو الحال في هيكل سداسي البروم ثنائي الفينيل-DNA، موقف ملزم يدل على مكان وجود الزوج قاعدة منتصف شظية. في حالة الحمض النووي سداسي البروم ثنائي الفينيل محددة، وهذا الزوج قاعدة المنتصف هي T T · mispair. في هذا المثال، حيث أننا ربط نسختين من البروتين سداسي البروم ثنائي الفينيل إلى القالب الحمض النووي، ويتم وضع T T · الزوج في مواقف 20 و 63 من 81 قاعدة الزوج DNA SEquence. علما بأن ليس لديه تسلسل من جزء محدد ليتزامن مع ذلك تم إدخاله في الخطوة 5. إذا كانت المنطقة متجهة البروتين يحتوي على عدد زوجي من الأزواج الأساسية، موقف ملزم يدل على موقع الخطوة الأساس الزوج الأوسط على الحمض النووي. وهذا هو، يتم وضع الخطوة الأساس الزوج الوسطى من جزء محدد بين قاعدة أزواج N و N +1، حيث ن هو عدد محدد على طول هذا الجزء. نلاحظ أيضا يمكن للمستخدم تزيين الحمض النووي مع أي بروتين طالما أن بنية معقدة مع الحمض النووي هو معروف وتخزينها في شكل معيار PDB 13.
  8. في الجزء السفلي من الصفحة مواصفات هناك مربع التي تسمح للمستخدم لإنشاء معاينة الحمض النووي المرتبط بالبروتين (الشكل 5، تسمية 4). هنا نحن تحقق هذا المربع وانقر على زر "متابعة". هذا الإجراء بإنشاء صفحة مراجعة سرد المعلمات المحددة فضلا عن أي أخطاء يمكن أن تكون قد نشأت من خلال التداخل بين مواقع الربط المحددة. يمكن للمستخدم SElect الأول على زر 'عودة' إذا كان بحاجة إلى أي التغييرات التي يجب إجراؤها أو الزر 'بيلد' والمضي قدما.
  9. يعرض الصفحة التالية صورة ثابتة للمجمع الحمض النووي والبروتينات في ترتيب الأكثر الموسعة ويسمح لعلى خط التصور التفاعلية عبر Jmol وWebmol و. يمكن للمستخدم أيضا تحميل (. PDB) تنسيق الملف الذي تم تنسيقه وفقا للمواصفات PDB. يتم ذلك عن طريق اختيار 'تحميل ملف PDB إعادة بنائها' الرابط أسفل الصورة الناتجة. الملف الأخير يمكن قراءتها بسهولة في برنامج رسومات الجزيئية لمزيد من التصور. رؤية النتائج الممثل (الشكل 6) للاطلاع على أمثلة من الحمض النووي سداسي البروم ثنائي الفينيل مزينة المذكورة أعلاه وأطول قليلا (86 قاعدة الزوج) سلسلة مع سداسي البروم ثنائي الفينيل تركز على مواقع 20 و 67.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم استخدام أدوات البرمجيات 3DNA بشكل روتيني لتحليل هياكل الحمض النووي. على سبيل المثال، يتم حسابها تلقائيا هويات الأزواج الأساسية والمعلمات جامدة الجسم التي تميز الترتيبات من قواعد في شظايا المزدوج حلزونية من الحمض النووي RNA والهياكل وتخزينها لكل إدخال جديد في قاعدة بيانات الحمض النووي 22 عاما، وهو مستودع في جميع أنحاء العالم من المعلومات الهيكلية الحمض النووي. قيم المعلمات جامدة للجسم مع تحديد بروتوكول 2 تكشف بسهولة تشوهات في بنية ثلاثية الأبعاد، مثل الموقعين من الحم...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مجموعة من البروتوكولات المقدمة في هذه المقالة تلمس فقط على قدرات الجناح 3DNA من البرامج. ويمكن تطبيق الأدوات اللازمة لهياكل الحمض النووي الريبي لتحديد أزواج قاعدة غير متعارف عليه، لتحديد سياقات الهيكلية الثانوية التي يحدث فيها مثل هذا الاقتران، لقياس التصرف المكانية من شظايا حلزونية، لقياس التداخل في القواعد على طول العمود الفقري سلسلة، الخ الأمر إعادة إنشاء تسمح للمستخدم لإنشاء تمثيل كتلة بسيطة ومفيدة من القواعد وأزواج قاعدة كما هو موضح في الشكل 1 أقحم ل. تشمل أد...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونحن ممتنون للكفيل جيري لتقاسم إحداثيات اللوالب مزدوج DNA ولدت في ديناميات المحاكاة الجزيئية. ونحن نعترف أيضا ندى Spackova للمساعدة في تحميل هذه الهياكل. دعما لهذا العمل من خلال منح البحوث USPHS ومن المسلم به بامتنان GM34809 GM096889 و.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lu, X. -J., Olson, W. K. 3DNA: a software package for the analysis, rebuilding, and visualization of three-dimensional nucleic acid structures. Nucleic Acids Res. 31, 5108-5121 (2003).
  2. Lu, X. -J., Olson, W. K. 3DNA: a versatile, integrated software system for the analysis, rebuilding, and visualization of three-dimensional nucleic-acid structures. Nature Protocols. 3, 1213-1227 (2008).
  3. Zheng, G., Lu, X. -J., Olson, W. K. Web 3DNA-a web server for the analysis, reconstruction, and visualization of three-dimensional nucleic-acid structures. Nucleic Acids. Res. 37, W240-W246 (2009).
  4. Xin, Y., Olson, W. K. BPS: a database of RNA base-pair structures. Nucleic Acids Res. 37, D83-D88 (2009).
  5. Zheng, G., Colasanti, A. V., Lu, X. -J., Olson, W. K. 3DNALandscapes: a database for exploring the conformational features of DNA. Nucleic Acids Res. 38, 267-274 (2010).
  6. Tolstorukov, M. Y., Colasanti, A. V., McCandlish, D., Olson, W. K., Zhurkin, V. B. A novel 'roll-and-slide' mechanism of DNA folding in chromatin. Implications for nucleosome positioning. J. Mol. Biol. 371, 725-738 (2007).
  7. Lu, X. -J., Olson, W. K., Bussemaker, H. J. The RNA backbone plays a crucial role in mediating the intrinsic stability of the GpU dinucleotide platform and the GpUpA/GpA miniduplex. Nucleic Acids Res. 38, 4868-4876 (2010).
  8. Mouw, K. W., Rice, P. A. Shaping the Borrelia burgdorferi genome: crystal structure and binding properties of the DNA-bending protein Hbb. Mol. Microbiol. 63, 1319-1339 (2007).
  9. Burgdorfer, W., Barbour, A. G., Hayes, S. F., Benach, J. L., Grunwaldt, E., Davis, J. P. Lyme disease-a tick-borne spirochetosis? Science. 216, 1317-1319 (1982).
  10. Benach, J. L., Bosler, E. M., Hanrahan, J. P., Coleman, J. L., Habicht, G. S., Bast, T. F., Cameron, D. J., Ziegler, J. L., Barbour, A. G. Spirochetes isolated from the blood of two patients with Lyme disease. N. Engl. J. Med. 308, 740-742 (1983).
  11. Lankaš, F., Špačková, N., Moakher, M., Enkhbayar, P., Šponer, J. A measure of bending in nucleic acids structures applied to A-tract DNA. Nucleic Acids Res. 38, 3414-3422 (2010).
  12. Romanuka, J., Folkers, G. E., Biris, N., Tishchenko, E., Wienk, H., Bonvin, A. M. J. J., Kaptein, R., Boelens, R. Specificity and affinity of Lac repressor for the auxiliary operators O2 and O3 are explained by the structures of their protein-DNA complexes. J. Mol. Biol. 390, 478-489 (2009).
  13. Berman, H. M., Westbrook, J., Feng, Z., Gilliland, G., Weissig, H., Shindyalov, I. N., Bourne, P. E. The Protein Data Bank. Nucleic Acids. Res. 28, 235-242 (2000).
  14. Joint, I. U. P. A. C. -I. U. B. Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN) Abbreviations and symbols for the description of conformations of polynucleotide chains. Eur. J. Biochem. 131, 9-15 (1983).
  15. Altona, C., Sundaralingam, M. Conformational analysis of the sugar ring in nucleosides and nucleotides. A new description using the concept of pseudorotation. J. Am. Chem. Soc. 94, 8205-8212 (1972).
  16. Dickerson, R. E., Bansal, M., Calladine, C. R., Diekmann, S., Hunter, W. N., Kennard, O., von Kitzing, E., Lavery, R., Nelson, H. C. M., Olson, W. K., et al. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters. J. Mol. Biol. 205, 787-791 (1989).
  17. Olson, W. K., Bansal, M., Burley, S. K., Dickerson, R. E., Gerstein, M., Harvey, S. C., Heinemann, U., Lu, X. -J., Neidle, S., Shakked, Z., et al. A standard reference frame for the description of nucleic acid base-pair geometry. J. Mol. Biol. 313, 229-237 (2001).
  18. Lavery, R., Moakher, M., Maddocks, J. H., Petkeviciute, D., Zakrzewska, K. Conformational analysis of nucleic acids revisited: Curves+. Nucleic Acids Res. 37, 5917-5929 (2009).
  19. Franklin, R. E., Gosling, R. G. Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature. 171, 740-741 (1953).
  20. Watson, J. D., Crick, F. H. C. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964-967 (1953).
  21. Marvin, D. A., Spencer, M., Wilkins, M. H. F., Hamilton, L. D. A new configuration of deoxyribonucleic acid. Nature. 182, 387-388 (1958).
  22. Berman, H. M., Olson, W. K., Beveridge, D. L., Westbrook, J., Gelbin, A., Demeny, T., Hsieh, S. -H., Srinivasan, A. R., Schneider, B. The Nucleic Acid Database: a comprehensive relational database of three-dimensional structures of nucleic acids. Biophys. J. 63, 751-759 (1992).
  23. Stella, S., Cascio, D., Johnson, R. C. The shape of the DNA minor groove directs binding by the DNA-bending protein Fis. Genes Dev. 24, 814-826 (2010).
  24. Swigon, D., Coleman, B. D., Olson, W. K. Modeling the Lac repressor-operator assembly: the influence of DNA looping on Lac repressor conformation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 9879-9884 (2006).
  25. Czapla, L., Swigon, D., Olson, W. K. Effects of the nucleoid protein HU on the structure, flexibility, and ring-closure properties of DNA deduced from Monte-Carlo simulations. J. Mol. Biol. 382, 353-370 (2008).
  26. Czapla, L., Peters, J. P., Rueter, E. M., Olson, W. K., Maher, L. J. 3rd Understanding apparent DNA flexibility enhancement by HU and HMGB proteins: experiment and simulation. J. Mol. Biol. 409, 278-289 (2011).
  27. Auffinger, P., Hashem, Y. SwS: a solvation web service for nucleic acids. Bioinformatics. 23, 1035-1037 (2007).
  28. Dror, O., Nussinov, R., Wolfson, H. J. The ARTS web server for aligning RNA tertiary structures. Nucleic Acids Res. 34, 412-415 (2006).
  29. Dixit, S. B., Beveridge, D. L. Structural bioinformatics of DNA: a web-based tool for the analysis of molecular dynamics results and structure prediction. Bioinformatics. 22, 1007-1009 (2006).
  30. de Vries, S. J., van Dijk, M., Bonvin, A. M. The HADDOCK web server for data-driven biomolecular docking. Nat. Protoc. 5, 883-897 (2010).
  31. Capriotti, E., Marti-Renom, M. A. SARA: a server for function annotation of RNA structures. Nucleic Acids Res. 37, 260-265 (2009).
  32. van Dijk, M., Bonvin, A. M. 3D-DART: a DNA structure modelling server. Nucleic Acids Res. 37, W235-W239 (2009).
  33. Contreras-Moreira, B. 3D-footprint: a database for the structural analysis of protein-DNA complexes. Nucleic Acids Res. 38, D91-D97 (2010).
  34. Popenda, M., Szachniuk, M., Blazewicz, M., Wasik, S., Burke, E. K., Blazewicz, J., Adamiak, R. W. RNA FRABASE 2.0: an advanced web-accessible database with the capacity to search the three-dimensional fragments within RNA structures. BMC Bioinformatics. 11, 231(2010).
  35. Čech, P., Svozil, D., Hoksza, D. SETTER: web server for RNA structure comparison. Nucleic Acids Res. , (2012).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

3DNA SoftwareNucleic Acid AnalysisBase Pair AssignmentRigid Body ParametersStructural ReconstructionEnsemble AnalysisNMR StructuresMD Simulationsw3DNA Web ServerProtein Decorated DNA

مقالات ذات صلة