Method Article

原子スケールのステッピングから粗粒拡散までのDNAに沿った転写因子タンパク質移動の構造ベースのシミュレーションとサンプリング

DOI:

10.3791/63406

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March 1st, 2022

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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

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このプロトコールの目標は、植物転写因子WRKYドメインタンパク質を例示的な系として用いて、DNAに沿ったタンパク質の1次元拡散の構造ダイナミクスを明らかにすることである。これを行うために、原子論的および粗粒度の分子動力学シミュレーションと広範な計算サンプリングの両方が実装されています。

Abstract

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DNAに沿った転写因子(TF)タンパク質の1次元(1-D)スライディングは、遺伝子調節のために標的DNA部位を位置特定するためのTFの拡散を促進するために不可欠である。DNAをスライドまたは踏むTFの塩基対(bp)分解能を検出することは、依然として実験的に困難です。我々は最近、DNAに沿った小さなWRKYドメインTFタンパク質の自発的な1-bpステッピングを捕捉する全原子分子動力学(MD)シミュレーションを行った。このようなシミュレーションから得られた10μsのWRKYステッピング経路に基づいて、ここでのプロトコルは、1-bpタンパク質ステッピングのためのマルコフ状態モデル(MSM)を構築し、MSM構築のために様々な数のミクロおよびマクロ状態をテストすることによって、TF-DNAシステムのより広範な立体構造サンプリングを行う方法を示す。DNAに沿ったTFタンパク質のプロセス的1次元拡散探索を構造的基礎とともに調べるために、このプロトコルはさらに、システムの長期スケールのダイナミクスをサンプリングするために粗粒(CG)MDシミュレーションを行う方法を示す。このようなCGモデリングおよびシミュレーションは、全原子シミュレーションから明らかにされたサブマイクロ秒からマイクロ秒のタンパク質ステッピング運動と比較して、数十マイクロ秒を超えるTFタンパク質のプロセス拡散運動に対するタンパク質-DNA静電的影響を明らかにするのに特に有用である。

Introduction

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転写因子(TF)は、遺伝子転写および関連活性を結合および調節する標的DNAを探索する1.3次元(3D)拡散とは別に、TFの促進された拡散は、タンパク質が1次元(1D)DNAに沿ってスライドまたはホップしたり、DNA上のセグメント間転写でジャンプしたりすることができる標的DNA探索に不可欠であることが示唆されている2、3、4、5、6、7。

最近の研究では、DNA上のWRKYドメインタンパク質である植物TFについて、数十マイクロ秒(μs)の全原子平衡分子動力学(MD)シミュレーションを実施しました8。マイクロ秒以内にポリA DNA上のWRKYの完全な1-bpステッピングがキャプチャされました。DNA溝に沿ったタンパク質の動きと水素結合(HB)の破壊・改質ダイナミクスが観察されている。このような軌道は1つのサンプリングされた経路を表しますが、全体的なタン....

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Protocol

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1. 原子MDシミュレーションによるマルコフ状態モデル(MSM)の構築

  1. 自発的なタンパク質ステッピング経路と初期構造収集
    1. 以前に取得した10μsの全原子MD軌道8 を使用して、「順方向」の1bpステッピングパス(すなわち、ナノ秒ごとに1フレーム)から10000フレームを均等に抽出する。フレームの総数は、すべての代表的な立体配座を含むのに十分な大きさである必要があります。
    2. VMDで10000フレームの遷移パスを準備する には、[ファイル]>[座標を保存し、選択した原子にタンパク質または核酸を入力し]ボックスに入力し、[フレーム]ボックスで[ 保存 ]をクリックして必要なフレームを取得します。
      注:34 bpの均質なポリA DNA8上のWRKYステッピング1-bp距離について、以前に得られた10μsの全原子MDシミュレーション軌道(ここでは「順方向ステッピング軌道」と呼ばれる)を、さらなる立体構造サンプリングを開始するための初期経路として使用した。ただし、ほとんどのプラクティスでは、ステアリングまたはターゲットを絞ったMDシミュレーションを実行したり、一般的なパス生成方法などを実装することによって、初期パスが構築されることに注意してください36,37,38,39。

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Results

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回転結合摺動またはMSM構造からのWRKYの1 bpステッピング
DNA上のすべてのタンパク質立体構造は、DNAに沿ったタンパク質COMの縦方向運動Xおよび回転角度にマッピングされる( 図3A参照)。これら2度の直線結合は、DNA上のWRKYドメインタンパク質の回転結合ステッピングを示す。立体構造は、MSM の 3 つのマクロ状態 (S1、S2、および S3) にさらにクラスター化できます。WRKYのフォワードステッピングは、マクロ状態遷移S1->S2->S3に続く。S1は、モデル化された構造(WRKY−DNA複合体40の結晶構造に基づく)によって開始される準安定状態を指し、〜6%の集団を有する。なお、現在のモデリングでは、タンパク質が特異的なW-box DNA配列40と結合する結晶構造から、初期のタンパク質立体構造を採用した。したがって、このようなモデル化されたタンパク質-ポリA-DNA複合体は、階段状または最終的に緩和された構造.......

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Discussion

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本研究は、構造ベースの計算シミュレーションとサンプリングを行い、DNAに沿って移動する転写因子またはTFタンパク質を、ステッピングの原子詳細だけでなく、DNA標的探索におけるTFの促進拡散に不可欠なプロセス拡散においても明らかにする方法に取り組む。そのために、均質なポリA DNAに沿って1-bpの小さなTFドメインタンパク質WRKYステッピングのマルコフ状態モデルまたはMSMが最初に構築され、タンパク質-DNA界面における集合水素結合またはHBダイナミクスとともにDNA上のタンパク質立体構造のアンサンブルが明らかにされ得る。MSMを得るために、我々は7.5μs(125 x 60ns)の凝集における電流サンプリングで、自発的なタンパク質ステッピング経路(以前の10μsシミュレーションから得られた)に沿って2ラウンドの広範な全原子MDシミュレーションを実施した。このような広範なサンプリングは、タンパク質-DNA界面対距離をクラスタリングの幾何学的尺度として利用して、数百の微小状態への立体構造クラスタリングのためのスナップショットを提供します。MSM構造のマルコフ特性は、個々のMDシミュレーションのさまざまな長さまたはラグタイムに対して計算さ.......

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Disclosures

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著者には利益相反はありません。

Acknowledgements

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この作業は NSFC Grant #11775016 と #11635002 によってサポートされています。JYは、NSF DMS 1763272とサイモンズ財団助成金#594598およびUCIからのスタートアップ基金を通じて、UCIのCMCFによって支援されています。LTDは、上海#20ZR1425400#21JC1403100の自然科学財団の支援を受けています。我々はまた、北京計算科学研究センター(CSRC)からの計算支援を認識する。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMol京都大学粗視化(CG)シミュレーション
GROMACSフローニンゲン大学 ウプサラ王分子動力学シミュレーションソフト
MatlabMathWorks数値計算ソフト
MSMbuilderスタンフォード大学MSM
VMDを構築イリノイ大学アーバナ・シャンペーンの分子可視化プログラム
立工科大学 校

References

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  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....

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Transcription Factor DiffusionProtein DNA SlidingMarkov State ModelMolecular Dynamics SimulationCoarse Grained SimulationWRKY Domain ProteinOne Dimensional DiffusionProtein Stepping MotionHydrogen Bond DynamicsZinc Finger Region

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