تحليل وبناء هياكل الحمض النووي مع 3DNA

الهدف العام من هذا الإجراء هو تقديم مجموعة برامج 3D NA لعلماء المختبرات وغيرهم للتحقيق في التنظيم المكاني للحمض النووي والحمض النووي الريبي باستخدام أحدث الأدوات الحسابية. يتم تحقيق ذلك عن طريق تنزيل البرنامج أولا من منتدى 3D NA وتثبيته على جهاز كمبيوتر محلي. الخطوة الثانية هي تحليل بنية الحمض النووي التمثيلية على مستوى خطوات زوج القاعدة المكونة.

بعد ذلك ، يتم تعديل نفس بنية الحمض النووي على مستوى خطوة الزوج الأساسي ، ثم يتم إعادة بنائها باستخدام معلمات خطوة الزوج الأساسي المحددة حديثا. الخطوة التالية هي تحليل مجموعة كبيرة من الهياكل ذات الصلة. الخطوة الأخيرة هي محاذاة مجموعة من هياكل الحمض النووي ذات الصلة على إطار مرجعي مشترك من أجل تصور التشوهات العالمية للهياكل.

في النهاية ، يتم استخدام أدوات 3D NA لفحص كيف تساهم خطوات زوج القواعد الفردية ، بما في ذلك تلك المرتبطة بالأدوية والبروتينات ، في طي الحمض النووي بشكل عام وتحديد مواقع واتجاهات التشوهات العالمية الكبيرة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية على الطرق الحالية هي أن البرنامج قوي وقابل للتطبيق على نطاق واسع على مجموعة متنوعة من الهياكل المختلفة التي تحتوي على الحمض النووي. يمكن أن تساعد الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية ، مثل كيفية تنظيم الجينوم في ثلاثة أبعاد ، ونوع التشوه الذي يمكن أن يتبناه الحمض النووي.

لبدء تثبيت حزمة البرامج ، اتصل ب DA website@xthreed. org الثلاثة وانقر فوق الارتباط إلى منتدى 3D NA داخل المنتدى. حدد رابط التسجيل واتبع التعليمات لإنشاء حساب جديد.

بمجرد إنشاء اسم مستخدم وكلمة مرور ، قم بتسجيل الدخول إلى المنتدى ، وحدد رابط التنزيلات في قسم الترحيب ، وفي الصفحة الجديدة ، اختر تنزيل 3D NA. انقر نقرا مزدوجا فوق ملف tar gz لإنشاء مجلد باسم X 3D NA dash V 2.1 ، والذي يحتوي على برنامج 3D NA. افتح التطبيق الطرفي ، الموجود عادة ضمن الأدوات المساعدة على جهاز Macintosh ، وقم بالتغيير إلى دليل X 3D NA dash V 2.1.

قم بتشغيل البرنامج النصي للإعداد المطلوب ل 3D NA ليعمل بشكل صحيح. يمكن العثور على جميع الأوامر المستخدمة في هذا الفيديو في بروتوكول النص. بعد ذلك ، انسخ إعدادي تصدير السطرين اللذين يظهران مطبوعين على الشاشة.

إذا قام المستخدم بوضع البرنامج في دليل التطبيقات ، فيجب أن يظهر الخطان كما هو موضح هنا. افتح تطبيق تحرير النص الموجود في دليل التطبيقات. ضمن قائمة التنسيق ، حدد إنشاء نص عادي.

في حالة وجود ملف BRC، افتح الملف في نص، وقم بتحرير إعدادات التصدير والصقها في نهاية الملف. إذا لم يكن هناك ملف bash RC ، فقم بلصق إعدادات التصدير في ملف فارغ واحفظه باسم الملف bash RC في الدليل الرئيسي. لكي تكون الإعدادات الجديدة متوفرة، قم بتشغيل ملف Bash RC المحفوظ حديثا داخل البرنامج الطرفي.

يوضح هذا الفيديو تحليل بنية الحمض النووي التمثيلية ، الحمض النووي المرتبط ببروتين HBB من بكتيريا بوريليا بيرجدورف العين. تتمثل الخطوة الأولى في تحليل 3D NA في إنشاء ملف يسرد جميع القواعد المقترنة. يتم ذلك عن طريق كتابة أمر لتطبيق برنامج البحث para على البنية الذرية المخزنة في الملف إلى NP two و MP two pdb.

الخطوة التالية في التحليل هي تحديد المعلمات الهندسية التي تميز الهيكل. يأخذ الأمر تحليل كإدخال ملف الزوج الأساسي وينشئ العديد من ملفات الإخراج التي تظهر في دليل العمل. يمكن بعد ذلك حساب القيم الهندسية عن طريق الكتابة وتحليل اثنين من الميجابكسل واثنين من البت في الثانية.

تشتمل ملفات الإخراج التي تم إنشاؤها على اثنين من MP اثنين من الخارج ، والذي يحتوي على نظرة عامة على المعلمات المحسوبة و bpco step par ، والذي يحتوي على قائمة بمعلمات الجسم الصلبة بالإضافة إلى تحليل بنية الحمض النووي ، يوفر برنامج 3D NA القدرة على بناء نموذج هيكلي من معلمات الجسم الصلبة باستخدام أمر إعادة البناء من أجل إنشاء نموذج ذري تقريبي ، والتي تتضمن إحداثيات لكل من ذرات العمود الفقري والقاعدة. اكتب الأمر المدرج في النص. يوجه هذا الأمر 3D NA إلى تقديم تأكيد عمود فقري قياسي ل BDNA في بناء النماذج من معلمات الجسم الصلبة.

يمكن بعد ذلك بناء نموذج حلزوني مزدوج مع معلمات الجسم الصلبة الموجودة في هيكل H-B-B-D-N-A عن طريق كتابة الأمر المناسب. يمكن تحرير ملف bpco step par لإنشاء بنية معدلة. هنا ، يتم تعديل زوايا التدحرج القصوى التي تشكلت في موقعي الانحناء الأكبر.

ثم يتم بناء الهيكل باستخدام المجموعة المعدلة من معلمات الخطوة كملف الإدخال. يمكن عرض النموذجين باستخدام عارض جزيئي قياسي على عكس تحليل بنية تحتوي على حمض نووي واحد. سيوضح هذا الجزء من الفيديو كيفية تحليل مجموعة كبيرة من الهياكل في مجموعة من الملفات ، بدءا من أسماء MD شرطة سفلية لتعيين PDB واحد وتنتهي برقم.

تتمثل الخطوة الأولى في التحليل في تحديد القواعد المزدوجة التي تم الحصول عليها عن طريق تشغيل برنامج البحث عن زوج كما كان من قبل ، نظرا لأن المجموعة الكاملة من الهياكل تشترك في نفس مخطط الاقتران الأساسي ، يحتاج المرء إلى تشغيل العثور على زوج مرة واحدة في ملف تمثيلي هنا ، وينتهي الملف ب 1001. يؤدي هذا إلى إنشاء معلومات الاقتران الأساسية وتخزينها في MD الملف عند تعيين واحد BPS PS. تجد الخطوة التالية المعلمات الهندسية لمجموعة الهياكل بأكملها باستخدام مجموعة Command X 3D ncore. حلل. ثم يمكن استخراج معلمات الجسم الصلبة المطلوبة من ملف إخراج النظرة العامة MD عند تعيين واحد.

يتم تنفيذ ذلك باستخدام مقتطف مجموعة Command X three DCO. يتم استخراج زوايا التدحرج ويتم إنشاء ملف نصي مفصول بفواصل لزوايا التدحرج. يمكن قراءة هذا الملف في برامج أخرى لمزيد من التحليل والتخطيط.

يحتوي أحدث إصدار من 3D NA على ميزة جديدة تسمح للمستخدم بالنظر إلى هياكل متعددة من منظور مشترك. يقوم الأمر X three DCO ensemble reorient بتركيب مجموعة من الهياكل ذات الصلة على زوج أساسي مشترك أو خطوة زوج أساسي ، كما هو الحال في البروتوكولات السابقة. تتمثل الخطوة الأولى في حساب الاقتران الأساسي للحمض النووي مع برنامج زوج البحث.

في هذه الحالة ، يكون ملف الإدخال عبارة عن اثنين من KEK pdb الملف الذي يحتوي على 10 هياكل من مشغل CIA coli ، O 3D NA المرتبط بغطاء رأس بروتين LAC Repressor. ستعمل إعادة توجيه مجموعة Command X three DCO على محاذاة النماذج الفردية في هيكل متعدد النماذج على إطار مرجعي مشترك. يتطلب هذا الأمر كلا من ملف PDB وملف الاقتران الأساسي من الخطوة السابقة كإدخال.

يتضمن الأمر أيضا هوية خطوة الزوج الأساسي التي تتم محاذاة جميع الهياكل ضدها. تتضمن واجهة الويب W 3D NA بعض الميزات الشائعة لحزمة برامج 3D NA. يلفت هذا الجزء من الفيديو الانتباه إلى القدرة على بناء نماذج ثلاثية الأبعاد من الحمض النووي المزخرف بالبروتين باستخدام خادم الويب.

تتمثل الخطوة الأولى في بناء نموذج DNA مزين بالبروتين في زيارة موقع W 3D NA الموجود في W three d.rutgers.edu. يؤدي اختيار إعادة البناء من القائمة الموجودة أعلى الجانب الأيسر من الصفحة إلى تنشيط إمكانات بناء النموذج عبر الإنترنت. الخطوة التالية هي تحديد رابط قالب البروتين المرتبط بالحمض النووي الموجود في المربع المظلل قليلا في منتصف الصفحة الجديدة.

سيؤدي هذا التحديد إلى تنشيط قائمة منسدلة ، والتي تسمح للمستخدم بتحديد عدد البروتينات المرتبطة. يؤدي اختيار عدد البروتينات المرتبطة إلى صفحة مواصفات جديدة. يمكن للمستخدم بعد ذلك الكتابة أو اللصق بالتسلسل المطلوب.

في مربع النص ، في منتصف الصفحة الجديدة ، توجد قائمة منسدلة أسفل مربع النص لتحديد التأكيد الحلزوني للمناطق غير المنضمة للحمض النووي. يوجد مربع نص بالقرب من أسفل صفحة المواصفات لإدخال مواضع الربط وأسماء الملفات للبروتينات المرتبطة. يحدد موضع الربط موقع مركز الجزء المرتبط بالبروتين على تسلسل الحمض النووي.

في الجزء السفلي من صفحة المواصفات ، يوجد مربع يسمح للمستخدم بإنشاء معاينة للحمض النووي المرتبط بالبروتين. في هذه الحالة ، يتم تحديد هذا المربع والنقر فوق الزر متابعة. ينشئ هذا الإجراء صفحة مراجعة تسرد المعلمات المحددة، بالإضافة إلى أي أخطاء قد تكون نشأت عن تداخل مواقع الربط المحددة.

يمكن للمستخدم تحديد زر الرجوع إذا كانت هناك حاجة إلى إجراء أي تغييرات ، أو زر الإنشاء للمتابعة. تعرض الصفحة التالية صورة ثابتة لمركب بروتين الحمض النووي في ترتيبه الأكثر شمولا وتسمح بالتصور التفاعلي عبر الإنترنت عبر الويب. يمكن للمستخدم أيضا تنزيل ملف يحتوي على إحداثيات ذرية.

تستخدم أدوات برنامج 3D NA بشكل روتيني لتحليل هياكل الحمض النووي. تكشف قيم معلمات الجسم الصلبة عن تشوهات في بنية ثلاثية الأبعاد ، مثل موقعي ثني الحمض النووي الشديد في الأخدود الرئيسي بزوايا التدحرج الموجبة الكبيرة الموجودة في الخطوتين 13 و 22. في المركب البلوري للحمض النووي مع بوريليا بيرجدورف ، بروتين RHBB.

تتيح قدرة البرنامج على إعادة بناء الهياكل من هذه الكميات تحديد كيفية مساهمة خطوات القاعدة والزوج الأساسي الفردية في الطية الجزيئية الشاملة. كما هو موضح هنا ، فإن الانحناء العالمي للحمض النووي الناجم عن سداسي ثنائي الفينيل يعكس أكثر من تشوهات الأدوار المتطرفة المشار إليها أعلاه. يظل الحمض النووي منحنيا للغاية عند إعادة بنائه مع تقويم خطوات زوج القاعدة هذه.

هذا هو الوقت الذي يتم فيه تعيين أكبر قيمتين للدور على الصفر. تتيح القدرة الجديدة في 3D NA لفحص أعداد كبيرة من الهياكل ذات الصلة استخراج كل من الأنماط المعتمدة على التسلسل والوقت في الترتيبات المكانية لمحاكاة جزيئات الحمض النووي والحمض النووي الريبي. على سبيل المثال ، يكشف طلاء اللون الأصفر لزوايا اللف بين أزواج القواعد المتتالية في مجموعتين كبيرتين من هياكل الحمض النووي المحاكاة عن الانحناء التفضيلي لهذه الجزيئات في خطوات زوج قاعدة البيورين البرمي.

تشير القيم الأعلى للفة الموضحة باللون الأحمر والتي تستمر لفترات قصيرة في نهايات الحمض النووي إلى الذوبان الموضعي وإعادة الركوع للهيكل الحلزوني المزدوج. يمكن أن تساعد الأنماط المتغيرة لمعلمات الجسم الصلبة الأخرى ، مثل الزوايا والمسافات بين القواعد التكميلية ، في فك تشفير التشوهات الهيكلية الدقيقة. تكشف قدرة برنامج 3D NA على إعادة توجيه الجزيئات ذات الصلة في إطار مرجعي مشترك عن ميزات البنية العامة المخفية في العديد من الملفات المخزنة في بنك بيانات البروتين.

على سبيل المثال ، تنتج المحاذاة التقليدية للهياكل ذات الصلة على أساس متوسط الملاءمة المربعة الجذرية للذرات المقابلة سلسلة من المسارات المكانية المتشابهة التي تتراكب تقريبا على بعضها البعض هنا ، النماذج ال 10 القائمة على الرنين المغناطيسي النووي لمشغل Esia coli ، O 3D NA المرتبط بقطع رأس بروتين مثبط LAC ، يكشف الموضع الفائق لنفس الهياكل على إطار إحداثي مشترك على زوج القاعدة الطرفية الخمسة لكل ازدواج عن تشوهات كبيرة في البنية العالمية التي تنثني فيها الجزيئات في اتجاهات مختلفة بشكل ملحوظ. قد يؤثر التباين الهيكلي على السهولة التي يرتبط بها بروتين المثبط COI COLI LAC O ثلاثة ويحفز حلقة بين O ثلاثة والمشغلين البعيدين بالتتابع في عملية LAC. كما هو موضح هنا ، يمكن أن يكون للوضع الدقيق لبروتين معماري مثل HBB من Borrelia burgdorferi تأثير كبير على الطي الكلي للحمض النووي.

إذا تم فصل نسختين من الهيكل المعروف عالي الدقة بواسطة 43 زوجا أساسيا ، فإن زوجا أساسيا 81 ، يغلق جزء الحمض النووي في تكوين ضيق شبه دائري. إذا تم فصل البروتينين بخمسة أزواج أساسية إضافية ، فإن الحمض النووي يتبع مسارا متعرجا مفتوحا. توضح الترتيبات المختلفة جدا للبروتين المزدوج المزخرف كيف يمكن أن يؤثر تباعد البروتينات المعمارية على تدوير أو تكرار الحمض النووي بعد تطوره.

مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال البيولوجيا الهيكلية للحمض النووي لاستكشاف تفاعلات بروتين الحمض النووي ، والحمض النووي الريبي ، والطي ، وتصميم الجسيمات النانوية من أجل اكتساب فهم أفضل للعيوب والأمراض التنموية مثل السرطان وتصميم علاجات جديدة.