Simulazione basata sulla struttura e campionamento dei movimenti proteici del fattore di trascrizione lungo il DNA dallo stepping su scala atomica alla diffusione a grana grossa

Summary

L'obiettivo di questo protocollo è quello di rivelare le dinamiche strutturali della diffusione unidimensionale delle proteine lungo il DNA, utilizzando una proteina di dominio WRKY del fattore di trascrizione vegetale come sistema esemplare. Per fare questo, sono state implementate simulazioni di dinamica molecolare sia atomistiche che a grana grossa insieme a vasti campionamenti computazionali.

Abstract

Lo scorrimento unidimensionale (1-D) della proteina del fattore di trascrizione (TF) lungo il DNA è essenziale per facilitare la diffusione del TF per individuare il sito del DNA bersaglio per la regolazione genetica. Rilevare la risoluzione della coppia di basi (bp) del TF che scivola o calpesta il DNA è ancora sperimentalmente impegnativo. Recentemente abbiamo eseguito simulazioni di dinamica molecolare all-atom (MD) catturando il passo spontaneo di 1 bp di una piccola proteina TF del dominio WRKY lungo il DNA. Sulla base del percorso di stepping WRKY da 10 μs ottenuto da tali simulazioni, il protocollo mostra qui come condurre campionamenti conformazionali più estesi dei sistemi TF-DNA, costruendo il modello di stato di Markov (MSM) per lo stepping proteico 1-bp, con vari numeri di micro e macro-stati testati per la costruzione MSM. Al fine di esaminare la ricerca diffusionale 1-D processiva della proteina TF insieme al DNA con basi strutturali, il protocollo mostra inoltre come condurre simulazioni MD a grana grossa (CG) per campionare la dinamica su scala a lungo termine del sistema. Tali modelli e simulazioni CG sono particolarmente utili per rivelare gli impatti elettrostatici proteina-DNA sui movimenti diffusionali processivi della proteina TF superiori a decine di microsecondi, rispetto ai movimenti di stepping proteico da sub-microsecondi a microsecondi rivelati dalle simulazioni di tutti gli atomi.

Introduction

I fattori di trascrizione (TF) cercano il DNA bersaglio per legare e regolare la trascrizione genica e le attività correlate¹. Oltre alla diffusione tridimensionale (3D), la diffusione facilitata del TF è stata suggerita come essenziale per la ricerca del DNA target, in cui le proteine possono anche scivolare o saltare lungo il DNA unidimensionale (1D), o saltare con trasferimento intersegmentale sul DNA 2,3,4,5,6,7.

Protocol

1. Costruzione del modello di stato di Markov (MSM) da simulazioni MD atomiche

1. Percorso spontaneo di stepping proteico e raccolta iniziale delle strutture
   1. Utilizzare^{una traiettoria} MD all-atom 8 da 10 μs ottenuta in precedenza per estrarre 10000 fotogrammi in modo uniforme da un percorso di stepping "in avanti" da 1 bp (cioè un fotogramma per ogni nanosecondo). Il numero totale di fotogrammi deve essere sufficientemente grande da includere tutte le conformazioni rappresentative.
   2. Preparare il percorso di transizione con 10000 fotogrammi in VMD facendo clic su File > Salva coordinate,....

Results

Scorrimento accoppiato a rotazione o stepping di 1 bp di WRKY dalla costruzione MSM
Tutte le conformazioni proteiche sul DNA sono mappate al movimento longitudinale X e all'angolo di rotazione della proteina COM lungo il DNA (vedi Figura 3A). L'accoppiamento lineare di questi due gradi indica uno stepping accoppiato alla rotazione della proteina del dominio WRKY sul DNA. Le conformazioni possono essere ulteriormente raggruppate in 3 macrostati (S1, S2 e S3) nel MSM. Il pa.......

Discussion

Questo lavoro affronta come condurre simulazioni computazionali basate sulla struttura e campionamenti per rivelare un fattore di trascrizione o una proteina TF che si muove lungo il DNA, non solo al dettaglio atomico del passo, ma anche nella diffusione processiva, che è essenziale per la diffusione facilitata del TF nella ricerca del bersaglio del DNA. Per fare ciò, è stato costruito per la prima volta il modello di stato di Markov o MSM di una piccola proteina di dominio TF WRKY che cammina per 1-bp lungo il DNA poli-.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CafeMol	Kyoto University		simulazioni a grana grossa (CG)
GROMACS	University of Groningen Royal Institute of Technology Uppsala University		software di simulazioni di dinamica molecolare
Matlab	MathWorks		Software di calcolo numerico
MSMbuilder	Stanford University		build MSM
VMD	Programma di visualizzazione molecolare dell'UNIVERSITÀ DELL'ILLINOIS A URBANA-CHAMPAIGN