核酸结构分析及建设3DNA
2013年4月26日
追梦的软件包是一个流行和通用的生物信息学工具与功能分析，构建，可视化三维核酸结构。本文提出了详细的协议的一个子集3DNA提供新的和流行的特点，适用于个别结构和相关结构的合奏。
该程序的总体目标是将 3D NA 程序套件带给实验室科学家和其他人，以使用最先进的计算工具研究 DNA 和 RNA 空间组织。这是通过首先从 3D NA 论坛下载软件并将其安装在本地计算机上来完成的。第二步是在组成碱基对步骤的水平上分析代表性 DNA 结构。
接下来，在碱基对步骤水平上修饰相同的 DNA 结构，然后使用新定义的碱基对步骤参数重建。下一步是分析相关结构的大型系综。最后一步是将一组相关的 DNA 结构比对到一个共同的参考框架上，以便可视化结构的整体扭曲。
最终，3D NA 工具用于检查单个碱基对步骤（包括与药物和蛋白质结合的步骤）如何促进 DNA 的整体折叠，并识别相当大的全局扭曲的位点和方向。与现有方法相比，该技术的主要优点是该软件稳定可靠，广泛适用于各种不同的含核酸结构。该方法可以帮助回答生物化学和生物物理学中的关键问题，例如基因组如何在三个维度上组织，以及 DNA 可以采用什么样的变形。
要开始安装软件包，请连接到三个 DA website@xthreed. 组织，然后单击论坛中 3D NA 论坛的链接。选择 register 链接，然后按照说明创建新帐户。
建立用户名和密码后，登录论坛，选择欢迎部分的下载链接，然后在新页面上选择 3D NA 下载。双击 tar gz 文件，创建一个名为 X 3D NA dash V 2.1 的文件夹，其中包含 3D NA 软件。打开终端应用程序（通常位于 Macintosh 上的 utilities 下），然后切换到 X 3D NA dash V 2.1 目录。
运行 3D NA 正常运行所需的设置脚本。此视频中使用的所有命令都可以在文本协议中找到。接下来，复制屏幕上打印的两行导出设置。
如果用户已将软件放在 applications 目录中，则应显示两行，如下所示。打开 applications 目录中的文本编辑应用程序。在格式菜单下，选择 Make plain text （制作纯文本）。
如果存在 BRC 文件，请以文本形式打开该文件，编辑并粘贴文件末尾的导出设置。如果不存在，则 bash RC 文件存在，请将导出设置粘贴到一个空白文件中，并在主目录中使用文件名 bash RC 保存。为了使新设置可用，请在终端程序中运行新保存的 Bash RC 文件。
该视频演示了对代表性核酸结构的分析，即与伯氏疏螺旋体细菌眼中的 HBB 蛋白结合的 DNA。3D NA 分析的第一步是创建一个列出所有成对碱基的文件。这是通过键入命令将 Find para 程序应用于文件中存储的原子结构来完成的，该结构为 NP two， MP two pdb。
分析的下一步是确定表征结构的几何参数。命令 analyze 将碱基对文件作为输入，并创建多个输出文件，这些文件显示在工作目录中。然后可以通过键入来计算几何值，分析 2 MP 2 bps。
生成的输出文件包括 two MP two out，其中包含计算参数的概述和 BPCO 步骤 par，其中包含刚体参数列表除了核酸结构的分析外，3D NA 软件还提供了使用 rebuild 命令从刚体参数构建结构模型的能力，以创建近似原子模型， 其中包括主链原子和碱基原子的坐标。键入文本中列出的命令。此命令指示 3D NA 在根据刚体参数构建模型时引入标准 BDNA 主干确认。
然后，可以通过键入适当的命令来构建具有 H-B-B-D-N-A 结构中刚体参数的双螺旋模型。可以编辑 bpco 步骤 par 文件以生成修改后的结构。在这里，修改了在两个最大弯曲点处形成的极端滚动角。
然后，使用修改后的步骤参数集作为输入文件构建结构。这两个模型可以使用标准分子查看器查看，而不是分析单个含核酸的结构。视频的这一部分将展示如何分析一组文件中的大型结构集合，从名称 MD 开始，下划线集合 1 PDB，以数字结束。
分析的第一步是识别通过像以前一样运行 find pair 程序获得的配对碱基，由于整个结构集共享相同的碱基配对方案，因此需要在此处的代表性文件上运行一次 find pair，该文件以 1001 结尾。这将生成碱基配对信息，并将其存储在设置 1 BPS PS 的 MD 文件中。下一步使用 Command X 3D ncore 集成查找整组结构的几何参数。分析。然后，可以从概览输出文件 MD 中抽取所需的刚体参数。
这是使用 Command X 三个 DCO 集成提取来执行的。提取滚动角度，并创建滚动角度的逗号分隔文本文件。此文件可以读入其他程序以进行进一步的分析和绘图。
最新版本的 3D NA 具有一项新功能，允许用户从共同的角度查看多个结构。与以前的协议一样，X three DCO ensemble reorient 命令将相关结构的集合叠加在一个公共碱基对或碱基对步骤上。第一步是计算 DNA 与 find pair 程序的碱基配对。
在这种情况下，输入文件是两个 KEK pdb，该文件包含 CIA 大肠杆菌的 10 个结构，O 3D NA纵子与 LAC 阻遏蛋白的头部结合。Command X 三个 DCO 集成重定向将在公共参考系上对齐多模型结构中的各个模型。此命令需要上一步中的 PDB 文件和碱基配对文件作为输入。
该命令中还包括所有结构都对齐的碱基对步骤的标识。W 3D NA Web 界面包括 3D NA 软件包的一些常用功能。视频的这一部分提请注意使用 Web 服务器构建蛋白质修饰 DNA 的三维模型的能力。
构建蛋白质修饰的 DNA 模型的第一步是访问位于 W three d.rutgers.edu 的 W 3D NA 网站。从页面左上角的菜单中选择重建，即可激活在线模型构建功能。下一步是选择新页面中间浅阴影框中的结合蛋白 DNA 模板链接。
此选择将激活一个下拉菜单，该菜单允许用户指定结合蛋白的数量。选择结合蛋白的数量后，将进入新的规格页面。然后，用户可以键入或粘贴所需的序列。
在新页面中间的文本框中，文本框下方有一个下拉菜单，用于选择 DNA 未结合区域的螺旋确认。规格页面底部附近有一个文本框，用于输入结合蛋白的结合位置和文件名。结合位置指定了 DNA 序列上蛋白质结合片段的中心位置。
在规格页面的底部，有一个框允许用户生成蛋白质结合 DNA 的预览。在这种情况下，将选中该框并单击 continue （继续） 按钮。此作会生成一个查看页面，其中列出了所选参数，以及可能由于所选结合位点重叠而引起的任何错误。
如果需要进行任何更改，用户可以选择后退按钮，或者选择生成按钮以继续。下一页显示了 DNA 蛋白复合物最扩展排列的静态图像，并允许通过 和 Web 进行在线交互式可视化。用户还可以下载包含原子坐标的文件。
3D NA 软件工具通常用于分析核酸结构。刚体参数的值揭示了三维结构中的扭曲，例如在步骤 13 和 22 处发现 DNA 极端弯曲到大凹槽中的两个位点，具有较大的正滚动角。在 DNA 与 Borrelia Bergdorf 的晶体复合物中，RHBB 蛋白。
该软件能够根据这些量重建结构，从而可以确定单个碱基和碱基对步骤对整体分子折叠的贡献。如此处所示，HBB 诱导的 DNA 整体弯曲反映了比上面提到的两个极端角色扭曲更多的。当使用这些碱基对步骤拉直进行重建时，DNA 保持高度弯曲。
即角色的两个最大值已设置为零。3D NA 中检查大量相关结构的新功能使其能够在模拟的 DNA 和 RNA 分子的空间排列中提取序列和时间依赖性模式。例如，在两大组模拟 DNA 结构中，连续碱基对之间的滚动角的黄色涂层揭示了这些分子在二叠纪嘌呤碱基对步骤中的优先弯曲。
红色表示的较高卷值在 DNA 末端持续较短时间，表明双螺旋结构的局部熔化和重新跪下。其他刚体参数的变分模式，例如互补基之间的角度和距离，可以帮助破译精确的结构变形。3D NA 软件能够在公共参考框架中重新定向相关分子，揭示了蛋白质数据库中存储的许多文件中隐藏的整体结构特征。
例如，基于相应原子的均方根拟合的相关结构的常规排列会产生一系列类似的空间通路，这些通路在这里大致相互叠加，基于 10 NMR 的大肠杆菌模型，O 3D NA作员与 LAC 阻遏蛋白的头部结合， 相同结构在每个双链体的五个主要末端碱基对上的公共坐标系上的超级位置揭示了全局结构的相当大的扭曲，其中分子以明显不同的方向弯曲。结构变异性可能会影响 CIA 大肠杆菌 LAC 阻遏蛋白结合 O 3 的难易程度，并在 LAC作中诱导 O 3 和顺序远距离的作员之间形成一个环。如此处所示，伯氏疏螺旋体 HBB 等结构蛋白的精确放置会对 DNA 的整体折叠产生巨大影响。
如果已知高分辨率结构的两个拷贝被 43 个碱基对（一个 81 个碱基对）隔开，则 DNA 片段会紧密闭合，几乎呈环状。如果两种蛋白质被另外 5 个碱基对隔开，则 DNA 遵循开放的蜿蜒途径。蛋白质修饰的双链体的非常不同的排列显示了结构蛋白的间距如何影响 DNA 发育后的环化或环化。
这项技术为核酸结构生物学领域的研究人员探索 DNA 蛋白质相互作用、RNA、折叠和纳米颗粒设计铺平了道路，以便更好地了解发育缺陷和癌症等疾病并设计新的治疗方法。
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概述
本文介绍了3DNA软件包，这是一个用于分析、构建和可视化三维核酸结构的多功能生物信息学工具。提供了详细的协议，用于利用适用于单个结构和集合的新功能。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物信息学
- 结构生物学
- 核酸分析
背景
- 3DNA广泛用于核酸结构分析。
- 它提供了DNA和RNA结构的可视化和修改工具。
- 该软件设计用于单个和集合分析。
- 协议提高了实验室科学家使用高级计算工具的可访问性。
研究目的
- 为实验室科学家提供用于研究DNA和RNA空间组织的工具。
- 展示3DNA软件包的功能。
- 促进单个和多个核酸结构的分析。
使用的方法
- 下载和安装3DNA软件。
- 在碱基对步骤级别分析代表性DNA结构。
- 使用新的碱基对步骤参数修改DNA结构。
- 对相关DNA结构进行对齐以可视化全局失真。
主要结果
- 成功安装和设置3DNA软件。
- 有效分析和修改DNA结构。
- 可视化相关DNA集合中的结构失真。
- 增强对核酸空间组织的理解。
结论
- 3DNA软件是核酸分析的强大工具。
- 协议促进研究中高级计算方法的使用。
- 研究结果有助于理解DNA和RNA结构。
常见问题
Executive Industry Relevance
3DNA enables biopharma R&D teams to analyze and reconstruct nucleic acid structures with atomic-level precision, supporting target validation in DNA-protein interaction studies. By quantifying rigid-body parameters and visualizing global distortions, the software provides mechanistic insights that de-risk early-stage hypotheses about genomic folding and ligand binding. This capability enhances predictive confidence in lead identification campaigns targeting chromatin architecture or transcriptional regulation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by assigning base pairs and determining rigid-body parameters that clarify nucleic acid spatial organization.
- Operational Value: Enables functional target validation through reconstruction of atomic models from geometric parameters, supporting mechanistic de-risking.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying how individual base pair steps contribute to global DNA folding, informing go/no-go decisions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by analyzing ensembles of NMR or MD-derived structures to extract time-dependent spatial patterns.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility via ensemble reorientation on a common reference frame, enabling reliable compound evaluation.
- Scalability: Highlights platform reuse through w3DNA web server capabilities for building protein-decorated DNA models at user-specified locations.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Discusses disease relevance by analyzing how architectural proteins like HBB induce DNA looping, with implications for developmental defects and cancer.
- Preclinical Alignment: Describes continuity from discovery through preclinical validation by visualizing global distortions in related DNA ensembles.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports decisions by identifying sites and directions of sizable global distortions that may influence protein binding efficacy.
Pipeline & Workflow Integration
3DNA integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification and Preclinical work, supporting hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking.
- Discovery Biology: Explains how the method supports hypothesis testing and pathway clarification through base pair assignment and rigid-body parameter determination.
- Screening: Describes assay readiness and reproducibility via ensemble analysis and reorientation commands that enable cross-structure comparison.
- Analytics: Highlights measurements such as roll, tilt, and twist angles that help teams compare conditions and detect structural anomalies.
- Translational Research: Connects the method to preclinical continuity by analyzing how protein binding alters DNA conformation and looping potential.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability through the w3DNA web server and ensemble analysis tools applicable across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in nucleic acid structural biology.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of structural analysis across individual and ensemble datasets.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in chromatin-targeted programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative structural outputs.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in structural biology and bioinformatics to interpret rigid-body parameters and structural models.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs include a local Unix-based system with terminal access and molecular visualization software.
- Cross-team standardization requirements involve consistent use of file naming conventions and parameter extraction protocols for ensemble analyses.
- Adaptation considerations across model systems include adjusting helical confirmation settings in w3DNA for A-, B-, or Z-DNA conformations.
- Practical limitations include the need for high-quality input structures and careful validation when modifying base pair step parameters to avoid unrealistic models.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:49
Installation of the Software Package
4:02
Analysis of a Crystal Structure
8:15
Superposition of Multi-model Structures onto a Common Reference Frame
11:54
Results: Nucleic Acid Structure Analysis and Reconstruction with 3DNA
15:52
Conclusion
5:22
Construction of a DNA Structure from Rigid-body Parameters
6:38
Analysis of Multi-model Structure Files
9:29
Construction of a Protein-decorated DNA Molecule
