Method Article

المحاكاة القائمة على البنية وأخذ عينات من حركات بروتين عامل النسخ على طول الحمض النووي من الخطوة على النطاق الذري إلى الانتشار الخشن الحبيبات

DOI:

10.3791/63406

⸱

March 1st, 2022

 ,  ,  ,  , 
1Beijing Computational Science Research Center, 2Shenzhen JL Computational Science and Applied Research Institute, 3School of Medical Informatics and Engineering, Xuzhou Medical University, 4Key Laboratory of Systems Biomedicine (Ministry of Education), Shanghai Center for Systems Biomedicine, Shanghai Jiao Tong University, 5Department of Physics and Astronomy, University of California, Irvine, 6Department of Chemistry, University of California, Irvine, 7NSF-Simons Center for Multiscale Cell Fate Research, University of California, Irvine

In This Article

Summary

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

الهدف من هذا البروتوكول هو الكشف عن الديناميكيات الهيكلية لنشر البروتين أحادي البعد على طول الحمض النووي ، باستخدام عامل النسخ النباتي WRKY مجال البروتين كنظام مثالي. للقيام بذلك ، تم تنفيذ كل من محاكاة الديناميكا الجزيئية الذرية والحبيبات الخشنة جنبا إلى جنب مع عينات حسابية واسعة النطاق.

Abstract

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

يعد انزلاق بروتين عامل النسخ أحادي البعد (1-D) على طول الحمض النووي ضروريا لتسهيل انتشار TF لتحديد موقع الحمض النووي المستهدف للتنظيم الجيني. لا يزال اكتشاف دقة الزوج الأساسي (bp) لانزلاق TF أو الدوس على الحمض النووي أمرا صعبا من الناحية التجريبية. لقد أجرينا مؤخرا محاكاة الديناميكا الجزيئية لجميع الذرات (MD) لالتقاط خطوة عفوية 1-bp لبروتين TF صغير في مجال WRKY على طول الحمض النووي. استنادا إلى مسار خطوة WRKY 10 μs الذي تم الحصول عليه من عمليات المحاكاة هذه ، يوضح البروتوكول هنا كيفية إجراء عينات توافقية أكثر شمولا لأنظمة TF-DNA ، من خلال بناء نموذج حالة ماركوف (MSM) لخطوة البروتين 1-bp ، مع اختبار أعداد مختلفة من الحالات الدقيقة والكلية لبناء MSM. من أجل فحص البحث العملي 1-D المنتشر لبروتين TF جنبا إلى جنب مع الحمض النووي مع الأساس الهيكلي ، يوضح البروتوكول أيضا كيفية إجراء محاكاة MD ذات الحبيبات الخشنة (CG) لأخذ عينات من ديناميكيات النطاق طويل الأمد للنظام. مثل هذه النمذجة والمحاكاة CG مفيدة بشكل خاص للكشف عن التأثيرات الكهروستاتيكية للبروتين والحمض النووي على الحركات المنتشرة العملية لبروتين TF فوق عشرات الميكروثانية ، مقارنة بحركات خطوة البروتين دون الميكروثانية إلى الميكروثانية التي تم الكشف عنها من عمليات محاكاة جميع الذرات.

Introduction

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

عوامل النسخ (TF) تبحث عن الحمض النووي المستهدف لربط وتنظيم النسخ الجيني والأنشطة ذات الصلة1. بصرف النظر عن الانتشار ثلاثي الأبعاد (3D) ، فقد اقترح أن الانتشار الميسر ل TF ضروري للبحث عن الحمض النووي المستهدف ، حيث يمكن للبروتينات أيضا الانزلاق أو القفز على طول الحمض النووي أحادي البعد (1D) ، أو القفز مع النقل بين القطاعات على الحمض النووي2،3،4،5،6،7.

في دراسة حديثة ، أجرينا عشرات الميكروثانية (μs) مح....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. بناء نموذج حالة ماركوف (MSM) من محاكاة MD الذرية

  1. مسار خطوة البروتين التلقائي وجمع الهياكل الأولية
    1. استخدم مسار MD 8 لجميع الذرات الذي تم الحصول عليه مسبقا 10-μs لاستخراج 10000 إطار بالتساوي من مسار خطوة "أمامي" 1-bp (أي إطار واحد لكل نانو ثانية). يجب أن يكون العدد الإجمالي للإطارات كبيرا بما يكفي ليشمل جميع التشكيلات التمثيلية.
    2. قم بإعداد مسار الانتقال باستخدام 10000 إطار في VMD بالنقر فوق ملف > حفظ الإحداثيات، اكتب البروتين أو النواة في مربع الذرات المحددة واختر الإطارات في مربع الإطارات، انقر حفظ للحصول على الإطارات المطلوبة.
      ملاحظة: تم استخدام مسار محاكاة MD ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

انزلاق مقترن بالدوران أو خطوة 1 نقطة أساس من WRKY من بناء MSM
يتم تعيين جميع تكوينات البروتين على الحمض النووي إلى الحركة الطولية X وزاوية دوران البروتين COM على طول الحمض النووي (انظر الشكل 3A). يشير الاقتران الخطي لهاتين الدرجتين إلى خطوة مقترنة بالدوران لبروتين مجال WRKY على الحمض النووي. يمكن تجميع المطابقة بشكل أكبر في 3 حالات كبيرة (S1 و S2 و S3) في MSM. ثم يتبع التقدم إلى الأمام ل WRKY انتقال الحالة الكلية S1->S2->S3. يشير S1 إلى حالة ما وراء الاستقرار التي ب.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

يتناول هذا العمل كيفية إجراء المحاكاة الحسابية القائمة على البنية وأخذ العينات للكشف عن عامل النسخ أو بروتين TF الذي يتحرك على طول الحمض النووي ، ليس فقط في التفاصيل الذرية للخطوة ، ولكن أيضا في الانتشار العملي ، وهو أمر ضروري لتسهيل انتشار TF في البحث عن هدف الحمض النووي. للقيام بذلك ، تم بناء نموذج حالة ماركوف أو MSM لبروتين مجال TF صغير WRKY يخطو ل 1-bp على طول الحمض النووي متعدد الأبعاد المتجانس لأول مرة ، بحيث يمكن الكشف عن مجموعة من تكوينات البروتين على الحمض النووي جنبا إلى جنب مع الترابط الهيدروجيني الجماعي أو دي.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

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

تم دعم هذا العمل من قبل NSFC Grant # 11775016 و #11635002. تم دعم JY من قبل CMCF التابع لشركة UCI عبر NSF DMS 1763272 ومنحة مؤسسة Simons Foundation # 594598 وصندوق بدء التشغيل من UCI. تم دعم LTD من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية في شنغهاي #20ZR1425400 و #21JC1403100. كما نعترف بالدعم الحسابي المقدم من مركز بكين لأبحاث العلوم الحاسوبية (CSRC).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMolمحاكاةالحبيبات الخشنة (CG)
GROMACSجامعة جرونينجن المعهد الملكي للتكنولوجيا جامعة أوبسالامحاكاة الديناميكيات الجزيئية
MatlabMathWorksبرنامج الحساب العددي
MSMbuilderستانفوردبناء MSM
VMDجامعة إلينوي في برنامج التصور الجزيئي لجامعة إلينوي
برنامج جامعة

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Latchman, D. S. Transcription factors: an overview. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 29 (12), 1305-1312 (1997).
  2. Berg, O. G., von Hippel, P. H. Selection of DNA binding....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Transcription Factor DiffusionProtein DNA SlidingMarkov State ModelMolecular Dynamics SimulationCoarse Grained SimulationWRKY Domain ProteinOne Dimensional DiffusionProtein Stepping MotionHydrogen Bond DynamicsZinc Finger Region

Related Articles