Method Article

סימולציה מבוססת מבנה ודגימה של תנועות חלבון פקטור שעתוק לאורך דנ"א מצעד בקנה מידה אטומי לדיפוזיה גסה-גרגרית

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

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

מטרת פרוטוקול זה היא לחשוף דינמיקה מבנית של דיפוזיה חד-ממדית של חלבון לאורך דנ"א, תוך שימוש בחלבון מקדם שעתוק צמחי WRKY כמערכת מופתית. לשם כך יושמו הן סימולציות של דינמיקה מולקולרית אטומיסטית והן של דינמיקה מולקולרית גסה, יחד עם דגימות חישוביות נרחבות.

Abstract

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

החלקה חד-ממדית (1-D) של חלבון גורם שעתוק (TF) לאורך הדנ"א חיונית להפצה מקלה של ה-TF כדי לאתר את אתר הדנ"א של המטרה לצורך ויסות גנטי. זיהוי רזולוציה של זוג בסיסים (bp) של ה-TF מחליק או דורך על הדנ"א הוא עדיין מאתגר מבחינה ניסיונית. לאחרונה ביצענו סימולציות של דינמיקה מולקולרית של כל האטום (MD) הלוכדות דריכה ספונטנית של 1-bp של חלבון TF קטן בתחום WRKY לאורך הדנ"א. בהתבסס על נתיב הדריכה WRKY של 10 מיקרו-μs שהתקבל מהדמיות כאלה, הפרוטוקול כאן מראה כיצד לבצע דגימות קונפורמיות נרחבות יותר של מערכות TF-DNA, על ידי בניית מודל מצב מרקוב (MSM) עבור דריכה של חלבון 1-bp, עם מספרים שונים של מצבי מיקרו ומאקרו שנבדקו לבניית MSM. על מנת לבחון חיפוש דיפוזיה תהליכי 1-D של חלבון ה-TF יחד עם דנ"א עם בסיס מבני, הפרוטוקול מראה עוד כיצד לבצע סימולציות MD גסות-גרגרים (CG) כדי לדגום דינמיקה ארוכת טווח של המערכת. מודלים וסימולציות כאלה של CG שימושיים במיוחד כדי לחשוף את ההשפעות האלקטרוסטטיות של חלבון-דנ"א על תנועות הדיפוזיה התהליכיות של חלבון ה-TF מעל עשרות מיקרו-שניות, בהשוואה לתת-מיקרו-שניות לתנועות דריכה של חלבוני מיקרו-שניות שנחשפו מהדמיות הכל-אטומיות.

Introduction

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

גורמי שעתוק (TF) מחפשים את דנ"א המטרה כדי לקשור ולווסת שעתוק גנים ופעילויות קשורות1. מלבד הדיפוזיה התלת-ממדית (התלת-ממדית), הוצע כי הדיפוזיה הקלה של TF חיונית לחיפוש דנ"א של מטרה, שבו החלבונים יכולים גם להחליק או לקפוץ לאורך דנ"א חד-ממדי (1D), או לקפוץ עם העברה בין-סגמנטלית על הדנ"א 2,3,4,4,5,6,7.

במחקר שנערך לאחרונה, ערכנו עשרות סימולציות של מיקרו-שניות (μs) של דינמיקה מולקולרית של שיווי משקל אטומי ....

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

Protocol

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

1. בניית מודל מצב מרקוב (MSM) מהדמיות MD אטומיות

  1. מסלול דריכה ספונטני של חלבונים ואיסוף מבנים ראשוניים
    1. השתמש במסלול MD של 10-μs שהושג בעבר ב-10-μs all-atomMD 8 כדי לחלץ 10000 פריימים באופן שווה מנתיב דריכה "קדימה" של 1 bp (כלומר, מסגרת אחת עבור כל ננו-שניה). המספר הכולל של המסגרות צריך להיות גדול מספיק כדי לכלול את כל הקונפורמציות הייצוגיות.
    2. הכן את נתיב המעבר עם 10000 מסגרות ב- VMD על-ידי לחיצה על קובץ > שמור קואורדינטות, הקלד חלבון או גרעין בתיבה אטומים נבחרים ובחר מסגרות בתיבה מסגרות, לחץ על שמור כדי לקבל את המסגרות הדרושות.
      הערה: מסלול סימולציה של 10 μs all-ato....

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

Results

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

הזזה מצומדת לסיבוב או דריכה אחת של bp של WRKY מבניית MSM
כל קונפורמציות החלבון בדנ"א ממופות לתנועת האורך X ולזווית הסיבוב של החלבון COM לאורך הדנ"א (ראו איור 3A). הצימוד הליניארי של שתי מעלות אלה מצביע על דריכה מצומדת סיבוב של חלבון התחום WRKY על הדנ"א. ניתן לחלק את הקונפורמציות ל-3 מקרו-סטטים (S1, S2 ו-S3) ב-MSM. הצעידה קדימה של WRKY עוקבת אחר המעבר המקרו-מדינתי S1->S2->S3. S1 מתייחס למצב מטא-יציב שיזם המבנה הממודל (המבוסס על המבנה הגבישי של קומפלקס WRKY-DNA

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

Discussion

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

עבודה זו עוסקת באופן שבו ניתן לבצע סימולציה חישובית מבוססת מבנה ודגימות כדי לחשוף גורם שעתוק או חלבון TF הנע לאורך הדנ"א, לא רק בפירוט האטומי של דריכה, אלא גם בדיפוזיה התהליכית, החיונית לדיפוזיה הקלה של TF בחיפוש מטרות הדנ"א. כדי לעשות זאת, נבנה לראשונה מודל מצב מרקוב או MSM של חלבון קטן בתחום TF WRKY שדורך עבור 1-bp לאורך דנ"א פולי-A הומוגני, כך שניתן יהיה לגלות אנסמבל של קונפורמציות חלבוניות על הדנ"א יחד עם קשרי מימן קולקטיביים או דינמיקת HB בממשק החלבון-DNA. כדי לקבל את ה-MSM, ערכנו שני סבבים של סימולציות MD נרחבות של.......

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

Disclosures

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

לכותבים אין ניגוד עניינים.

Acknowledgements

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

עבודה זו נתמכה על ידי מענק NSFC #11775016 ו #11635002. JY נתמך על ידי CMCF של UCI באמצעות NSF DMS 1763272 וקרן סימונס מענק #594598 וקרן סטארט-אפ מ- UCI. בע"מ נתמכה על ידי קרן מדעי הטבע של שנגחאי #20ZR1425400 #21JC1403100. אנו מכירים גם בתמיכה החישובית של מרכז המחקר המדעי החישובי בבייג'ינג (CSRC).

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMolקיוטוסימולציות גרגר גס (CG)
GROMACSאוניברסיטת חרונינגן המכון המלכותי לטכנולוגיה אוניברסיטת אופסלהתוכנת סימולציות דינמיקה מולקולרית
MatlabMathWorksתוכנת חישוב נומרי
MSMbuilderאוניברסיטתלבנות MSM
VMDאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפייןתוכנית הדמיה מולקולרית
אוניברסיטת סטנפורד

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