Simulation et échantillonnage basés sur la structure des mouvements des protéines du facteur de transcription le long de l’ADN, du passage à l’échelle atomique à la diffusion à grain grossier

Summary

L’objectif de ce protocole est de révéler la dynamique structurelle de la diffusion unidimensionnelle des protéines le long de l’ADN, en utilisant une protéine du domaine WRKY du facteur de transcription végétale comme système exemplaire. Pour ce faire, des simulations de dynamique moléculaire atomistique et à gros grains ainsi que des échantillonnages informatiques approfondis ont été mis en œuvre.

Abstract

Le glissement unidimensionnel (1-D) de la protéine du facteur de transcription (TF) le long de l’ADN est essentiel pour faciliter la diffusion du TF afin de localiser le site d’ADN cible pour la régulation génétique. La détection de la résolution de la paire de bases (pb) du glissement tf ou du pas sur l’ADN est encore expérimentalement difficile. Nous avons récemment effectué des simulations de dynamique moléculaire (MD) entièrement atomiques capturant un pas spontané de 1 pb d’une petite protéine TF de domaine WRKY le long de l’ADN. Basé sur le chemin de pas WRKY de 10 μs obtenu à partir de telles simulations, le protocole montre ici comment effectuer des échantillonnages conformationnels plus étendus des systèmes TF-ADN, en construisant le modèle d’état de Markov (MSM) pour le pas de protéine 1-bp, avec différents nombres de micro- et macro-états testés pour la construction MSM. Afin d’examiner la recherche par diffusion 1D processive de la protéine TF le long de l’ADN avec la base structurelle, le protocole montre en outre comment mener des simulations MD à grains grossiers (CG) pour échantillonner la dynamique à longue échelle du système. De telles modélisations et simulations CG sont particulièrement utiles pour révéler les impacts électrostatiques protéine-ADN sur les mouvements de diffusion processifs de la protéine TF au-dessus de dizaines de microsecondes, par rapport aux mouvements de pas de protéines submicrosecondes à microsecondes révélés par les simulations de tous les atomes.

Introduction

Les facteurs de transcription (TF) recherchent l’ADN cible pour lier et réguler la transcription des gènes et les activités connexes¹. Mis à part la diffusion tridimensionnelle (3D), la diffusion facilitée de TF a été suggérée comme étant essentielle pour la recherche d’ADN cible, dans laquelle les protéines peuvent également glisser ou sauter le long de l’ADN unidimensionnel (1D), ou sauter avec transfert intersegmental sur l’ADN 2,3,4,5,6,7.

Protocol

1. Construction du modèle d’état de Markov (MSM) à partir de simulations md atomiques

1. Voie spontanée de pas protéique et collecte des structures initiales
   1. Utilisez une trajectoire MD⁸ de 10 μs entièrement atome obtenue précédemment pour extraire 10000 images uniformément d’un chemin de pas « vers l’avant » de 1 bp (c’est-à-dire une trame pour chaque nanoseconde). Le nombre total de trames doit être suffisamment grand pour inclure toutes les conformations représentatives.
   2. Préparez le chemin de transition avec 10000 images dans VMD en cliquant sur Fichier > Enregistrer les coordonnées, tapez

Results

Glissement couplé à la rotation ou pas de 1 bp de WRKY de la construction MSM
Toutes les conformations protéiques sur l’ADN sont mappées au mouvement longitudinal X et à l’angle de rotation de la protéine COM le long de l’ADN (voir la figure 3A). Le couplage linéaire de ces deux degrés indique un pas couplé à la rotation de la protéine du domaine WRKY sur l’ADN. Les conformations peuvent être regroupées en 3 macro-états (S1, S2 et S3) dans le MSM. Le pas en avant de WRKY .......

Discussion

Ce travail porte sur la façon de mener des simulations et des échantillonnages informatiques basés sur la structure pour révéler un facteur de transcription ou une protéine TF se déplaçant le long de l’ADN, non seulement au détail atomique du pas, mais aussi dans la diffusion processive, ce qui est essentiel pour la diffusion facilitée de TF dans la recherche de cible d’ADN. Pour ce faire, le modèle d’état de Markov ou MSM d’une petite protéine du domaine TF WRKY marchant pour 1-bp le long de l’ADN poly-A homogène a d’ab.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CafeMol	Kyoto University		Simulations à gros grains (CG)
GROMACS	Université de Groningen Royal Institute of Technology Université d’Uppsala Logiciel		simulation de dynamique moléculaire
Matlab	MathWorks		Logiciel de calcul numérique
MSMbuilder	Université		build MSM
VMD	UNIVERSITÉ DE L’ILLINOIS À URBANA-CHAMPAIGN		programme de visualisation moléculaire