Name: 核酸结构分析及建设3DNA (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-04-26T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 24 s
Description: 学习使用3DNA软件包分析、构建和可视化三维核酸结构。本方法涵盖软件安装、DNA结构分析、碱基对步长参数修改及多结构比对，为生物信息学和结构生物学研究提供强大的计算工具。

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我们感谢 Jiří Šponer 分享了通过分子动力学模拟生成的 DNA 双螺旋结构坐标。同时感谢 Nada Spackova 在下载这些结构过程中的协助。本工作得到了美国公共卫生服务研究基金 GM34809 和 GM096889 的资助，特此致谢。

1. 软件包的安装
<ol>
	<li>访问 3DNA 网站 <a href="http://x3dna.org" target="_blank">http://x3dna.org</a>，点击进入 3DNA 论坛链接。在论坛中选择“注册”链接，并按照说明创建新账户。</li>
	<li>以下说明详细描述了在基于 OS X 的 Macintosh 计算机上安装该软件的过程，该计算机使用默认的“bash”shell。有关在 Linux 或 Windows（Cygwin、MinGW/MSYS）系统上使用常用 shell（包括“tcsh”）的安装步骤，请参见 3DNA 论坛中的说明。</li>
	<li>在建立用户名和密码后，登录论坛。在欢迎区域选择“下载”链接，然后在新页面中选择“3DNA 下载”。这将引导您进入 3DNA 下载页面，在此可下载软件的不同版本。</li>
	<li>选择 Mac OS X Intel 链接，以下载包含软件的压缩 tarball 文件（tar.gz）。</li>
	<li>双击（tar.gz）文件，生成一个名为 x3dna-v2.1 的文件夹。此文件夹包含 3DNA 软件套件，可移动至任意位置。为便于本操作流程的说明，我们将该文件夹拖放到“应用程序”目录中。此时，tar.gz 文件已完成其用途，可将其删除。</li>
	<li>打开通常位于“实用工具”下的“终端”应用程序，并使用以下命令切换到第 5 步创建的 x3dna-v2.1 目录（以下所有指令均以回车符结束）： 
	cd /Applications/x3dna-v2.1</li>
	<li>输入以下命令以运行使 3DNA 正常运行所需的设置脚本： 
	./bin/x3dna_setup</li>
	<li>复制第 7 步中打印出的两行 export 设置。如果用户已将软件放置在“应用程序”目录中，则这两行应如下所示： 
	export X3DNA=/Applications/x3dna-v2.1 
	export PATH=/Applications/x3dna-v2.1/bin:$PATH 
	如果用户选择将软件安装在其他目录，则 export 命令中将显示不同的目录名称，该名称将替代上述命令中的“Applications”。请注意，如果默认 shell 为“tcsh”而非“bash”，则这两行内容应为：setenv X3DNA /Applications/x3dna-v2.1 和 setenv PATH /Applications/x3dna-v2.1/bin:$PATH。</li>
	<li>在“访达”中检查您的计算机上是否已存在名为 '.bashrc' 的文件。</li>
	<li>打开位于“应用程序”目录中的“文本编辑”应用程序，并在“格式”菜单下选择“转换为纯文本”。</li>
	<li>如果第 9 步中的 '.bashrc' 文件已存在，请在文本编辑中打开该文件，并将第 8 步中的 export 设置粘贴至文件末尾。如果不存在 '.bashrc' 文件，请将第 8 步中的 export 设置粘贴到一个空白文件中，并在您的主目录中将其保存为 '.bashrc' 文件。（主目录在 Macintosh 上以“房屋”图标表示。）</li>
	<li>为使新设置生效，您必须在终端程序中使用以下命令运行新保存的 '.bashrc' 文件： 
	source ~/.bashrc</li>
	<li>3DNA 套件现已安装到您的系统中，您可在终端程序中执行协议 2 至协议 5。协议 6 则通过 w3DNA 执行，w3DNA 是 3DNA 软件部分功能的网页界面。</li>
</ol>
2. 晶体结构分析
<ol>
	<li>我们以结合在伯氏疏螺旋体（Borrelia burgdorferi）Hbb蛋白上的DNA结构为例，说明核酸结构的分析方法8。该结构对应的原子坐标文件可在蛋白质数据库13（PDB；<a href="http://www.rcsb.org/" target="_blank">http://www.rcsb.org</a>）中获取，其结构标识符为2np2。随附的补充数据中包含该文件的副本，也可在3DNA论坛的以下网址获取：<a href="http://forum.x3dna.org/jove" target="_blank">http://forum.x3dna.org/jove</a>。</li>
	<li>使用3DNA分析该结构的第一步是生成一个列出所有配对碱基的文件。可通过运行'find_pair'程序实现，输入以下命令： 
	find_pair 2np2.pdb 2np2.bps 
	其中，2np2.pdb是上述原子坐标输入文件，2np2.bps是输出的文本文件，包含碱基配对信息。用户可根据需要查看或编辑该碱基配对文件。</li>
	<li>分析的下一步是确定表征该结构的几何参数。这些参数包括标准化学扭转角14、描述糖环折叠状态的伪旋转角15、描述碱基及相邻碱基对排列方式的刚体参数16，以及其他三维化学结构的度量指标。'analyze'命令以第2步生成的碱基对文件作为输入，并生成多个输出文件，这些文件将出现在当前工作目录中。输入以下命令即可完成计算： 
	analyze 2np2.bps 
	本示例中使用的输出文件包括2np2.out，其中包含所计算参数的概览，以及bp_step.par，其中列出了上述刚体参数。后者文件可轻松导入电子表格程序，用于进一步分析和绘图。参见代表性结果（图1）中的示例。</li>
</ol>
3. 基于刚体参数构建DNA结构
<ol>
	<li>除了分析核酸结构外，3DNA 软件还提供了使用“rebuild”命令从刚体参数构建结构模型的功能。在本实验方案中，我们将展示如何构建两个 DNA 螺旋模型：首先使用在方案 2 中计算得到的 Hbb-DNA 复合物的刚体参数，然后使用一组经过修改的参数，其中选定的 roll 角度被改变。roll 角度用于衡量连续碱基对向 DNA 沟槽弯曲的程度16正值的滚动角（roll）与主沟槽变窄相关，负值则与次沟槽变窄相关。标准参考坐标系17 被3DNA及其他主流核酸分析软件所采用 例如 曲线+18确保了在计算沃森-克里克碱基对参数时的数值一致性。</li>
	<li>默认情况下，3DNA 的“rebuild”功能将生成仅包含碱基中原子坐标的精确原子模型。为了创建包含骨架和碱基原子坐标的近似原子模型，请输入以下命令： 
	x3dna_utils cp_std bdna 
	该命令指示3DNA在根据刚体参数构建模型时引入标准的B型DNA骨架构象。</li>
	<li>要使用 Hbb-DNA 结构中发现的刚体参数构建双螺旋模型，请输入以下内容： 
	rebuild -atomic bp_step.par 2np2_rbld_org.pdb 
	此处“-atomic”表示构建包含所有重原子（非氢原子）坐标信息的全原子模型，“bp_step.par”是协议2第3步生成的文件，其中包含输入的刚体参数，“2np2_rbld_org.pdb”则是所构建结构的原子坐标输出文件。该输出文件遵循PDB格式规范，因此以“.pdb”作为扩展名。</li>
	<li>“bp_step.par”文件可进行编辑以生成修饰后的结构。在Macintosh系统上，可按照方案1步骤10所述，使用TextEdit应用程序进行修改。</li>
	<li>在此，我们修改两个最大弯曲位置处形成的极端滚动角。这些以度为单位的数值，在第17行由64.95、在第26行由60.93均更改为零。我们将修改后的文件另存为新名称“bp_step_roll0.par”，并关闭 TextEdit 程序。</li>
	<li>我们使用修改后的步骤参数集作为输入文件，通过键入以下命令来构建结构，如步骤3所示： 
	rebuild -atomic bp_step_roll0.par 2np2_rbld_roll0.pdb</li>
	<li>这两个模型可以在标准的分子查看器（如 PyMOL）中查看，<a href="http://www.pymol.org/" target="_blank">www.pymol.org</a>），使用生成的坐标文件（.pdb）作为输入。参见代表性结果（图2用于重建结构图像的图像。</li>
</ol>
4. 多模型结构文件的分析
<ol>
	<li>与协议2中分析单个含核酸结构的方法不同，此处我们展示如何分析大量结构的集合。我们考察了通过分子动力学（MD）模拟获得的一系列14个碱基对DNA链中，随时间变化的刚体参数11。该分析共包含4,500个结构，这些结构在MD计算中以100皮秒为间隔提取，并保存在4,500个独立的文件中。随附的补充数据包括这些文件的副本，以及另一组4,500个文件，用于反向序列DNA的模拟（参见引言文本中碱基的精确顺序）。这两组文件以及一个较小的数据子集也可在3DNA论坛获取，网址为 <a href="http://forum.x3dna.org/jove" target="_blank">http://forum.x3dna.org/jove</a>。</li>
	<li>分析的第一步与协议2中的步骤相同，即运行“find_pair”程序识别配对碱基。由于整个结构集合具有相同的碱基配对方案，因此只需在代表性文件上运行一次“find_pair”即可。此处我们选择在含有中心AT步的DNA链模拟中的第1001个结构，其文件名为md_AT_set1.pdb.1001。以下指令生成碱基配对信息，并将其存储在文件md_AT_set1.bps中： 
	find_pair md_AT_set1.pdb.1001 md_AT_set1.bps 
	用户可检查已识别的碱基配对情况，并根据对结构的了解手动修改该文件。</li>
	<li>下一步是使用“x3dna_ensemble analyze”命令确定整个结构集合的几何参数。该程序的输入包括第二步生成的碱基对文件（md_AT_set1.bps）以及一个列出待分析结构的文件。后一个文件在此称为md_AT_set1.list，其中包含4,500个待分析文件，文件名按MD模拟生成的顺序逐行列出。该文件的副本包含在补充材料中，也可在3DNA论坛获取。需要提醒用户的是，由于文件数量庞大，计算时间可能较长（在AMD Phenom II X4 965处理器上约为每1,000个文件20分钟）。通过输入以下命令运行程序： 
	x3dna_ensemble analyze -b md_AT_set1.bps -l md_AT_set1.list -o md_AT_set1.out 
	在上述示例中，“-b”指第二步创建的碱基对文件，“-l”表示提供了一个文件列表，“-o”允许用户为输出文件指定名称。该命令支持多种选项，例如选择特定模型。用户可输入“x3dna_ensemble analyze -h”以获取更多关于这些选项的信息。</li>
	<li>下一步是从第三步生成的总览输出文件md_AT_set1.out中提取所需的刚体参数。此操作通过“x3dna_ensemble extract”命令完成。输入“x3dna_ensemble extract -l”可列出所有可用的几何参数。此处我们提取roll角，并使用以下命令创建一个以逗号分隔的文本文件（CSV）： 
	x3dna_ensemble extract -p roll -s , -f md_AT_set1.out -o md_AT_set1_roll.csv 
	该命令中的“-p roll”指定要提取的参数，“-s ,”表示生成逗号分隔文件，“-f”指明来自集合分析命令的输出文件，“-o”允许用户为所有分析结构中沿DNA的roll角CSV输出文件命名。该文件可导入其他程序进行进一步分析和绘图。有关上述两组MD生成数据集中roll角变化的分析，请参见代表性结果（图3），生成这些图像所用的MATLAB脚本可在3DNA论坛获取。</li>
</ol>
5. 多模型结构叠加至公共参考坐标系
<ol>
	<li>最新版本的3DNA（版本2.1）新增了一项功能，允许用户从共同的视角观察多个结构。“x3dna_ensemble reorient”命令可将一组相关结构叠加到一个共同的碱基对或碱基对步上。以下方案将此功能应用于NMR解析的O3 DNA操纵区与Lac阻遏蛋白头部结构域结合的结构12。这些结构以多模型结构文件的形式存储于PDB数据库中，其标识符为2kek，该文件在一个单一文件中包含了所有结构模型，不同于方案4中为4,500个模型分别使用的独立文件。随附的补充数据中包含此文件的副本，也可在3DNA论坛获取：<a href="http://forum.x3dna.org/jove" target="_blank">http://forum.x3dna.org/jove</a>。</li>
	<li>与之前的方案相同，第一步是使用“find_pair”程序计算DNA的碱基配对。在此情况下，我们以“2kek.pdb”文件作为输入，并输入以下命令： 
	find_pair 2kek.pdb 2kek.bps 
	碱基配对基于PDB文件中的第一个模型生成。可根据已知结构信息，对输出的碱基对文件“2kek.bps”进行手动修正。</li>
	<li>程序“x3dna_ensemble reorient”会将多模型结构中的各个独立模型对齐至一个共同的参考坐标系。该程序需要前一步生成的PDB文件和碱基配对文件作为输入，运行命令如下： 
	x3dna_ensemble reorient -b 2kek.bps -f 1 -e 2kek.pdb -o 2kek_fr1.pdb 
	其中，“-b”选项指定碱基配对文件，“-f 1”表示所有结构将对齐至第1个碱基对，即序列链5´端的第一个碱基对，“-e”指定输入的集合文件，“-o”允许用户指定输出文件名，此处为“2kek_fr1.pdb”。更多关于命令选项的信息可通过输入“x3dna_ensemble reorient -h”获取。有关对齐后结构的讨论，请参见代表性结果（图4）。</li>
</ol>
6. 蛋白质修饰的DNA分子的构建
<ol>
	<li>w3DNA 网络界面包含了 3DNA 软件包的一些常用功能。本文重点介绍利用该网络服务器构建蛋白质修饰 DNA 的三维模型的能力。结合的 DNA 片段采用所选蛋白质-DNA 复合物的刚体参数，此处为在方案 2 中分析的与 Hbb 蛋白结合的 DNA 参数值。未结合的 DNA 区域可采用三种用户选定的螺旋构型之一（A 型、B 型或 C 型）。A、B 和 C 分别指通过早期纤维衍射实验获得的三种经典的 DNA 模型，其双螺旋每圈分别包含 11、10 和 9 个碱基对19-21。</li>
	<li>构建蛋白质修饰 DNA 模型的第一步是访问位于 <a href="http://w3DNA.rutgers.edu" target="_blank">http://w3dna.rutgers.edu</a> 的 w3DNA 网站。在页面左上角菜单中选择“Reconstruction”即可激活在线建模功能。</li>
	<li>下一步是在新页面中间浅色框内选择“Bound Protein-DNA template”链接。此选择将激活一个下拉菜单，允许用户指定结合蛋白质的数量。此处我们选择两个结合的蛋白质，然后点击“Continue”按钮。请注意，模型大小限制为最多 1,000 个碱基对（即 2,000 个核苷酸）和最多 30 个结合的蛋白质。</li>
	<li>选定结合蛋白质数量后，将进入一个类似于图 5所示的参数设置页面。该页面允许用户指定 DNA 序列、未结合 DNA 的螺旋构型，以及结合蛋白质的身份和位置。</li>
	<li>用户在参数设置页面中间的文本框中输入或粘贴所需的序列（图 5，标签 1）。注意仅接受标准残基：A、T、C、G 和 U。此处我们输入一个由 81 个碱基对组成的同聚物序列，完全由 A·T 碱基对构成，其中 A 位于携带序列的链上。</li>
	<li>在文本框下方有一个下拉菜单（图 5，标签 2），用于选择未结合 DNA 区域的螺旋构象。本示例中我们选择 B 型构象。</li>
	<li>在参数设置页面底部附近有一个文本框，用于输入结合位置及结合蛋白质的文件名（图 5，标签 3）。结合位置指定了蛋白质结合片段在 DNA 序列上的中心位置。如果结合的 DNA 包含奇数个碱基对（如 Hbb-DNA 结构），则结合位置表示该片段中间碱基对的位置。在 Hbb 结合 DNA 的情况下，该中间碱基对为 T·T 错配。在本示例中，我们将两个 Hbb 蛋白结合到 DNA 模板上，T·T 错配分别位于 81 碱基对 DNA 序列的第 20 和第 63 位。需要注意的是，结合片段的序列不必与第 5 步中输入的序列一致。如果蛋白质结合区域包含偶数个碱基对，则结合位置表示 DNA 上中间碱基对步（base-pair step）的位置，即结合片段的中心碱基对步位于第 n 和 n +1 个碱基对之间，其中 n 为指定的序列位置。此外请注意，只要某种蛋白质与 DNA 的复合物结构已知并以标准 PDB 格式存储，用户即可使用该蛋白质修饰 DNA13。</li>
	<li>在参数设置页面底部有一个选项框，允许用户生成蛋白质结合 DNA 的预览图（图 5，标签 4）。此处我们勾选该框并点击“Continue”按钮。此操作将生成一个审查页面，列出所选参数以及可能因结合位点重叠而产生的任何错误。用户可点击“Back”按钮进行修改，或点击“Build”按钮继续。</li>
	<li>下一页将显示 DNA-蛋白质复合物在其最伸展构型下的静态图像，并支持通过 Jmol 和 Webmol 进行在线交互式可视化。用户还可以下载符合 PDB 格式规范的坐标文件（.pdb）。方法是点击生成图像下方的“Download the rebuilt pdb file”链接。该文件可轻松导入分子图形软件中进行进一步可视化。有关上述 Hbb 修饰 DNA 的示例以及一条稍长（86 个碱基对）且 Hbb 位于第 20 和第 67 位的链，请参见代表性结果（图 6）。</li>
</ol>

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

未声明任何利益冲突。

本文介绍的一系列实验方案仅涉及3DNA程序套件功能的一部分。这些工具可用于RNA结构，以识别非经典碱基对，确定此类配对发生的二级结构环境，量化螺旋片段的空间排布，测量沿链骨架的碱基重叠程度等。rebuild命令允许用户构建简洁且信息丰富的碱基和碱基对的块状表示形式，如图1插图所示。构建工具还包括在给定结构模板上“穿线”不同序列、生成多种双链、三链和四链DNA结构模型、将模型定向至特定方向等功能。最后，3DNA在多个其他项目中发挥了重要作用，例如：用于核酸溶剂化分析的SwS网络服务27；用于比对RNA三级结构的ARTS网络服务器28；用于分子动力学结果分析与结构预测的MDDNA网络工具29；基于信息驱动的HADDOCK蛋白-DNA对接方法30；用于RNA结构功能注释的SARA服务器31；3D-DART DNA结构建模服务器32；用于蛋白-DNA复合物结构分析的3D-footprint数据库33；用于识别RNA结构中三维片段的RNA FRABASE 2.0...

了解 DNA、RNA 及其与蛋白质、药物和其他配体复合物的三维结构，对于阐明它们多样的生物学功能以及合理设计治疗药物至关重要。对这些结构的探索包含三个独立但又密切相关的组成部分：分析（提取形状和相互作用中的模式）、建模（评估能量学和分子动力学）以及可视化。结构分析与模型构建本质上是同一过程的两个方面，而可视化则对这两者起到补充作用。
3DNA 计算机程序套件是一个日益流行的结构生物信息学工具包，具有分析、构建和可视化三维核酸结构的功能。早期的出版物已概述了该软件的功能1，提供了执行选定任务的实验方案2，引入了该软件流行功能的基于网络的界面3，展示了使用收集的结构特征数据库 3DNA4, 5 并展示了该软件在DNA和RNA结构分析中的应用价值6, 7.
本文旨在将3DNA软件工具包介绍给实验室科研人员及其他对利用先进计算工具研究DNA和RNA空间结构感兴趣或有需求的人员。本文提供的实验方案包含逐步操作指南：（i）在Mac OS X系统上下载并安装该软件；（ii-iii）在组成碱基对步骤的层面上分析和修改DNA结构；（iv-v）分析并比对相关DNA结构的集合；（vi）通过用户友好的w3DNA网页界面构建蛋白质结合DNA链的模型。该软件能够分析通过X射线晶体学方法解析的单个结构，也能够分析通过核磁共振（NMR）方法测定或计算机模拟技术生成的大规模结构集合。
此处检测的结构包括：(i) DNA 与 Hbb 蛋白结合的高分辨率晶体结构 Borrelia burgdorferi8 （通过蜱虫传播、可导致人类莱姆病的细菌）9, 10)，（ii）通过分子模拟生成的两组序列相关的大型DNA分子集合11 - 4,500 张 d(GGCAAAATTTTGCC) 的快照2 和 d(CCGTTTTAAAACGG)2 以100皮秒为间隔在计算过程中采集，以及(iii)一组基于NMR的O3 DNA操纵子与头结构域结合的复合物结构集合 大肠杆菌 Lac阻遏蛋白12以下说明包含如何访问与这些结构相关的原子坐标文件的信息，以及如何使用 3DNA（该文件的副本可在 3DNA 论坛上找到） <a href="http://forum.x3dna.org/jove" target="_blank">http://forum.x3dna.org/jove</a>）以观察和修饰这些结构。

使用3dna分析与构建核酸结构

Analyzing and Building Nucleic Acid Structures with 3DNA

3DNA 软件包是一种广受欢迎且功能多样的生物信息学工具，能够分析、构建和可视化三维核酸结构。本文介绍了 3DNA 中部分新近且常用功能的详细操作流程，适用于单个结构以及相关结构集合的分析。方案 1 列出了下载和安装该软件所需的操作指令。接着在方案 2 中，对核酸结构进行分析，包括碱基配对的指认以及描述结构的刚体参数的确定；方案 3 描述了如何根据刚体参数重建结构的原子模型。最新版本的 3DNA（版本 2.1）新增了用于分析和操作结构集合的功能，例如来自核磁共振（NMR）测量和分子动力学（MD）模拟所推导出的结构集合；这些功能在方案 4 和方案 5 中予以介绍。除了 3DNA 独立软件包之外，位于 <a href="http://w3dna.rutgers.edu" target="_blank">http://w3dna.rutgers.edu</a> 的 w3DNA 网络服务器还提供了对该软件部分功能的用户友好型界面。方案 6 演示了该网站的一项新功能，即在用户指定位置构建带有结合蛋白的长 DNA 分子模型。

3DNA 软件工具通常用于分析核酸结构。例如，在核酸数据库（Nucleic Acid Database）22（全球核酸结构信息资源库）中，每条新收录的数据都会自动计算并存储碱基对的类型以及表征 DNA 和 RNA 结构中双螺旋片段碱基排列方式的刚体参数。使用方案 2 所确定的刚体参数值能够清晰揭示三维结构中的畸变情况，例如在 Borrelia burgdorferi Hbb 蛋白的晶体复合物中，AT·AT 步骤 13 和 22 处出现的两处 DNA 向大沟方向显著弯曲的现象，其滚转角（roll angle）均为较大正值（分别为 64.95° 和 60.93°）8（图 1）。
该软件通过方案3利用这些参数重建结构的能力，使得确定单个碱基和碱基对步长如何影响整体分子折叠成为可能。如图所示 图2Hbb 诱导的 DNA 全局弯曲不仅反映上述两种极端的碱基对倾斜畸变，而且当这些碱基对步骤被拉直后重建 DNA 结构时，DNA 仍保持高度弯曲。 即 ...

3DNA 软件包是一种广受欢迎且功能多样的生物信息学工具，能够分析、构建和可视化三维核酸结构。本文介绍了 3DNA 中部分新近且常用功能的详细操作流程，适用于单个结构以及相关结构集合的分析。

使用3DNA分析与构建核酸结构

3DNA 软件包是一种广受欢迎且功能多样的生物信息学工具，能够分析、构建和可视化三维核酸结构……

本实验的总体目标是将 3D NA 系列程序提供给实验室科研人员及其他相关人员，以利用先进的计算工具研究 DNA 和 RNA 的空间结构。首先需从 3D NA 论坛下载该软件，并将其安装至本地计算机；第二步是分析一个具有代表性的 DNA 结构，其分析水平深入到构成该结构的碱基对步长。接下来，在碱基对步长水平上对该相同的DNA结构进行修饰，并利用新定义的碱基对步长参数重新构建该结构。随后的步骤是对一组相关的结构集合进行分析。最后一步是将一组相关的DNA结构在统一的参考坐标系中进行比对，以可视化这些结构的整体形变。最终，3D NA 工具可用于研究单个碱基对步幅（包括与药物和蛋白质结合的碱基对步幅）如何影响 DNA 的整体折叠结构，并识别显著全局畸变的发生位点及其方向。该技术相较于现有方法的主要优势在于其软件具有高度稳健性，并可广泛适用于多种不同的含核酸结构。该方法有助于回答生物化学与生物物理学中的关键问题，例如基因组在三维空间中如何组织，以及 DNA 可以发生何种类型的形变。要开始安装软件包，请访问三DA网站@xthreed.org，并点击论坛中的3D NA论坛链接。在论坛内，选择注册链接，然后按照说明创建一个新账户。在建立用户名和密码后，登录论坛，在欢迎部分选择“下载”链接，然后在新页面中选择 3D NA 下载。双击 tar gz 文件以创建一个名为 X 3D NA dash V 2.1 的文件夹，该文件夹包含 3D NA 软件。打开终端应用程序（通常位于 Macintosh 系统的“实用工具”下），并切换至 X 3D NA dash V 2.1 目录。运行使 3D NA 正常运行所需设置脚本。本视频中使用的所有命令均可在文字版实验方案中找到。接下来，复制屏幕上显示的两行导出设置。如果用户已将软件放置在应用程序目录中，则应显示如下两行内容。打开位于应用程序目录中的文本编辑应用程序，在格式菜单下选择“设为纯文本”。如果存在 BRC 文件，请在文本编辑器中打开该文件，编辑并将其末尾添加导出设置。如果不存在 bash RC 文件，请将导出设置粘贴到一个空白文件中，并将该文件保存为位于主目录中的文件名 bash RC。为了使新设置生效，需在终端程序中运行新保存的 Bash RC 文件。本视频演示了对一种代表性核酸结构的分析，即与来自伯氏疏螺旋体（Borrelia burgdorferi）的 HBB 蛋白结合的 DNA 结构。三维核酸（3D NA）分析的第一步是创建一个列出所有配对碱基的文件。这一步通过输入命令，将 FindPair 程序应用于存储在文件 np2.mp2.pdb 中的原子结构来完成。分析的下一步是确定表征该结构的几何参数。analyze 命令以碱基对文件作为输入，并在工作目录中生成多个输出文件。随后，通过输入命令“analyze two MP two bps”即可计算几何参数。生成的输出文件包含两个 MP2 输出文件（two MP two out），其中包含计算参数的概览，以及 bpco_step_par 文件，其中包含刚体参数列表。除了分析核酸结构外，3D NA 软件还提供根据刚体参数构建结构模型的功能，可通过使用 rebuild 命令生成包含骨架原子和碱基原子坐标的近似原子模型。输入文本中列出的命令。该命令指示 3D NA 在从刚体参数构建模型时引入标准 B 型 DNA 骨架构象。随后可通过输入相应命令，构建具有 H-B-B-D-N-A 结构中发现的刚体参数的双螺旋模型。可以编辑 bpco 步骤参数文件以生成修饰后的结构。在此，对弯曲程度最大两个位点处形成的极端 roll 角度进行了修饰。然后以修改后的步骤参数集合作为输入文件来构建结构。这两个模型可以使用标准的分子查看器进行观察，从而与单个核酸结构的分析形成对比。本视频部分将展示如何分析一组文件中的大量结构集合，这些文件名以 MD_ set one PDB 开头，并以数字结尾。分析的第一步是鉴定通过运行 find pair 程序获得的配对碱基，方法与之前相同。由于整个结构集合共享相同的碱基配对方案，因此只需在此处的一个代表性文件（以 1001 结尾的文件）上运行一次 find pair。这将生成碱基配对信息，并将其存储在文件 MD at set one BPS PS 中。下一步是使用命令 X3D ncore ensemble.Analyze 来确定整个结构集合的几何参数。然后可从总览输出文件 MD at set one out 中提取所需的刚体参数。使用 Command X 三重 DCO 集成提取工具进行此操作。提取出横滚角，并生成横滚角的逗号分隔文本文件。该文件可导入其他程序中以进行进一步分析和绘图。最新版本的3D NA新增了一项功能，允许用户从一个共同的视角观察多个结构。X三重DCO系综重定向命令会将一组相关结构叠加到一个共同的碱基对或碱基对步上，如同之前的方案所述。第一步是使用find pair程序计算DNA的碱基配对。在此情况下，输入文件是两个 KEK pdb 文件，其中包含 CIA coli、O 3D NA 操纵子与 LAC 阻遏蛋白头部结构域结合的 10 个结构。命令 X three DCO 系综重定向将对多模型结构中的各个模型进行比对，使其处于统一的参考坐标系中。该命令需要前一步骤生成的 PDB 文件和碱基配对文件作为输入。命令中还包含所有结构进行比对所依据的碱基对步序信息。W 3D NA 网络界面包含了 3D NA 软件包的一些常用功能。本视频的这一部分重点展示了利用该网络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。在页面左上角的菜单中选择“重建”选项，即可激活在线建模功能。下一步是在新页面中部浅色框内找到并选择“结合蛋白-DNA模板”链接。此选择将激活一个下拉菜单，允许用户指定结合蛋白的数量。选择结合蛋白的数量后，将进入一个新的参数设置页面。用户随后可输入或粘贴目标序列。在新页面中间的文本框下方，有一个下拉菜单，用于选择DNA未结合区域的螺旋构象。在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。结合位置指定了蛋白质结合片段中心在DNA序列上的位置。在规格页面底部，有一个选项框允许用户生成蛋白质结合DNA的预览图。在此情况下，勾选该选项框并点击继续按钮。此操作将生成一个审阅页面，列出所选参数以及因所选结合位点重叠可能产生的任何错误。如果需要进行任何修改，用户可选择返回按钮，或选择构建按钮继续操作。下一页将显示DNA-蛋白质复合物在最伸展构象下的静态图像，并支持通过网络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。刚体参数的数值揭示了三维结构中的畸变，例如在第13步和第22步处发现的DNA向大沟方向剧烈弯曲的两个位点，其卷曲角呈较大的正值。该结果来自DNA与伯氏疏螺旋体RHBB蛋白的晶体复合物。该软件能够利用这些参数重建结构，从而确定各个碱基和碱基对步进如何影响整个分子的折叠构象。如图所示，HBB 引起的 DNA 全局弯曲不仅仅反映上述两种极端的螺旋扭曲。即使将这些碱基对步进拉直后重建，DNA 仍保持高度弯曲。此时，该角色的两个最大值已被设为零。3D NA 中新近增强的功能可对大量相关结构进行分析，从而能够提取模拟 DNA 和 RNA 分子空间排列中与序列和时间相关的模式。例如，对两组大规模模拟 DNA 结构中相邻碱基对之间的螺旋角进行黄色着色显示，这些分子在嘧啶-嘌呤碱基对步骤处存在优先弯曲的趋势。在DNA末端短暂持续出现的红色高值表示局部熔解和双螺旋结构的重新弯曲。其他刚体参数（如互补碱基之间的角度和距离）的变化模式有助于解析精确的结构畸变。3D NA软件能够将相关分子重新定向至一个共同的参考坐标系，从而揭示出隐藏在蛋白质数据库中许多文件中的整体结构特征。例如，基于对应原子的均方根拟合对相关结构进行传统叠合时，会产生一系列在此处大致相互重叠的相似空间路径；然而，当将大肠杆菌（Escherichia coli）O3 DNA 操纵子与乳糖阻遏蛋白头部结构域结合的10个基于NMR的模型，共同叠合到每条双链五端末端碱基对的同一坐标系上时，会暴露出明显的整体结构畸变，其中分子朝显著不同的方向发生弯曲。这种结构多样性可能影响大肠杆菌乳糖阻遏蛋白结合O3位点并诱导O3与序列上距离较远的其他操纵子之间形成环状结构的难易程度。如图所示，像来自伯氏疏螺旋体（Borrelia burgdorferi）的建筑蛋白HBB这类蛋白质在DNA上的精确定位，可能对DNA的整体折叠构象产生显著影响。若两个已知高分辨率结构的拷贝相距43个碱基对，则一段81个碱基对的DNA片段会闭合形成紧密的近似环状构型。若两个蛋白质之间的间距增加五个碱基对，DNA则呈现开放的蜿蜒路径。蛋白质修饰的双链DNA所展现出的截然不同的排列方式，说明了结构蛋白的间距如何影响DNA在形成后的环化或成环过程。该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折叠以及纳米颗粒设计铺平了道路，有助于更深入地理解发育缺陷和癌症等疾病，并推动新型治疗手段的设计。

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科研

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生物学

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