Method Article

구조 기반 시뮬레이션 및 원자 스케일 스테핑에서 거친 입자 확산에 이르기까지 DNA를 따른 전사 인자 단백질 움직임의 샘플링

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

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

이 프로토콜의 목표는 식물 전사 인자 WRKY 도메인 단백질을 모범적 인 시스템으로 사용하여 DNA를 따라 단백질의 일차원 확산의 구조적 역학을 밝히는 것입니다. 이를 위해 원자 론적 및 거친 입자 역학 시뮬레이션과 광범위한 계산 샘플링이 구현되었습니다.

Abstract

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DNA를 따라 전사 인자 (TF) 단백질의 1차원 (1-D) 슬라이딩은 유전자 조절을 위한 표적 DNA 부위를 찾기 위한 TF의 확산을 용이하게 하는데 필수적이다. DNA를 슬라이딩하거나 밟는 TF의 염기쌍(bp) 분해능을 검출하는 것은 여전히 실험적으로 어려운 과제이다. 우리는 최근에 DNA를 따라 작은 WRKY 도메인 TF 단백질의 자발적인 1-bp 스테핑을 포착하는 모든 원자 분자 역학 (MD) 시뮬레이션을 수행했습니다. 이러한 시뮬레이션으로부터 수득된 10μs WRKY 스테핑 경로에 기초하여, 여기의 프로토콜은 MSM 구축을 위해 시험된 다양한 수의 마이크로- 및 매크로-상태와 함께 1-bp 단백질 스테핑을 위한 마르코프 상태 모델(MSM)을 구성함으로써, TF-DNA 시스템의 보다 광범위한 입체 형태 샘플링을 수행하는 방법을 보여준다. DNA와 함께 TF 단백질의 처리적인 1-D 확산 탐색을 구조적 기초와 함께 검사하기 위해, 프로토콜은 시스템의 장시간 스케일 다이내믹을 샘플링하기 위해 거친 그레인 (CG) MD 시뮬레이션을 수행하는 방법을 추가로 보여줍니다. 이러한 CG 모델링 및 시뮬레이션은 모든 원자 시뮬레이션으로부터 밝혀진 서브마이크로초 내지 마이크로초 단백질 스테핑 모션과 비교하여 수십 마이크로초 이상의 TF 단백질의 처리적 확산 운동에 대한 단백질-DNA 정전기적 영향을 밝히는데 특히 유용하다.

Introduction

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전사 인자 (TF)는 유전자 전사 및 관련 활성에 결합하고 조절하기 위해 표적 DNA를 검색한다1. 3차원 (3D) 확산 이외에도, TF의 촉진된 확산은 표적 DNA 탐색에 필수적인 것으로 제안되었으며, 여기서 단백질은 또한 1차원 (1D) DNA를 따라 미끄러 지거나 홉 또는 DNA 2,3,4,5,6,7 상의 분절 간 전달로 점프할 수 있다.

최근 연구에서, 우리는 DNA8 상의 WRKY 도메인 단백질인 식물 TF에 대해 수십 마이크로초(μs) 모든 원자 평형 분자 역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다. 마이크로초 내에 폴리-A DNA에 대한 WRKY의 완전한 1-bp 스테핑이 포착되었다. DNA 홈과 수소 결합 (HBs)을 따라 단백질의 움직임이 파괴 - 개질 역학이....

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Protocol

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1. 원자 MD 시뮬레이션에서 마르코프 상태 모델 (MSM)의 구축

  1. 자발적인 단백질 스테핑 경로 및 초기 구조 수집
    1. 이전에 수득된 10-μs 전원자 MD 궤적8 을 사용하여 "순방향" 1-bp 스테핑 경로(즉, 각 나노초마다 하나의 프레임)로부터 10000개의 프레임을 고르게 추출한다. 프레임의 총 수는 모든 대표적인 형태를 포함하기에 충분히 커야 한다.
    2. 파일 > 좌표 저장을 클릭하여 VMD에서 10000 프레임으로 전환 경로를 준비하고, 선택한 원자에 단백질 또는 핵산을 입력하고 프레임 상자에서 프레임을 선택하고 저장을 클릭하여 필요한 프레임을 가져옵니다.
      참고: 34-bp 동종 폴리-A DNA8 상에서 WRKY 스테핑을 위한 이전에 획득된 10μs 모든 원자 MD 시뮬레이션 궤적(여기서는 "순방향 스테핑 궤적"이라고 함)을 추가 입체 샘플링을 개시하기 위한 초기 경로로 사용하였다. 그러나 대부분의 사례에서는 조향 또는 표적 MD 시뮬레이션을 수행하거나 일반적인 경로 생성 방법 등을 구현하여 초기 경로를 구성합니다.36,37,3....

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Results

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MSM 구조에서 WRKY의 회전 결합 슬라이딩 또는 1bp 스테핑
DNA 상의 모든 단백질 입체형태는 DNA를 따라 단백질 COM의 종방향 이동 X 및 회전 각도에 매핑된다( 도 3A 참조). 이 두 도의 선형 결합은 DNA 상의 WRKY 도메인 단백질의 회전 결합 스테핑을 나타낸다. 상기 형태들은 MSM에서 3개의 매크로스테이트들(S1, S2, 및 S3)로 더 클러스터링될 수 있다. WRKY의 전진 단계는 매크로 상태 전환 S1->S2->S3을 따릅니다. S1은 ~6%의 집단을 갖는 모델링된 구조(WRKY-DNA 복합체(40)의 결정 구조를 기초로)에 의해 개시되는 준안정 상태를 의미한다. 현재의 모델링에서, 초기 단백질 입체 형태는 단백질이 특정 W-box DNA 서열(40)과 결합하는 결정 구조로부터 채택되었다. 이러한 모델링된 단백질-폴리.......

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Discussion

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이 작업은 구조 기반 계산 시뮬레이션 및 샘플링을 수행하여 DNA를 따라 이동하는 전사 인자 또는 TF 단백질을 스테핑의 원자 세부 사항뿐만 아니라 DNA 표적 검색에서 TF의 촉진 확산에 필수적인 프로세스 확산에서도 밝히는 방법을 다룹니다. 이를 위해, 균질한 폴리-A DNA를 따라 1-bp를 밟는 작은 TF 도메인 단백질 WRKY 스테핑의 마르코프 상태 모델 또는 MSM이 먼저 구축되어, 단백질-DNA 계면에서의 집단적 수소 결합 또는 HB 역학과 함께 DNA 상의 단백질 입체형태의 앙상블이 드러날 수 있다. MSM을 얻기 위해, 우리는 자발적인 단백질 스테핑 경로 (이전의 10-μs 시뮬레이션에서 얻은 것)를 따라 광범위한 모든 원자 MD 시뮬레이션의 두 라운드를 수행했으며, 현재 샘플링은 7.5 μs (125 x 60 ns)의 응집으로 이루어졌습니다. 이러한 광범위한 샘플링은 수백 개의 미세 상태로 구성 클러스터링을위한 스냅 샷을 제공하여 단백질-DNA 계면 쌍 거리를 클러스터링을위한 기하학적 척도로 활용합니다. MSM .......

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Disclosures

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

저자는 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

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

이 작업은 NSFC Grant #11775016 및 #11635002에서 지원되었습니다. JY는 NSF DMS 1763272와 UCI의 Simons Foundation 보조금 #594598 및 창업 기금을 통해 UCI의 CMCF의 지원을 받았습니다. LTD는 상하이 #20ZR1425400 및 #21JC1403100의 자연 과학 재단의 지원을 받고 있습니다. 우리는 또한 베이징 전산 과학 연구 센터 (CSRC)의 전산 지원을 인정합니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMol교토 대학거친 입자 (CG) 시뮬레이션
GROMACS흐로 닝언 대학 왕립 공과 대학 웁살라 대학분자 역학 시뮬레이션 소프트웨어
MatlabMathWorks수치 계산 소프트웨어
MSMbuilder스탠포드 대학빌드 MSM
VMD일리노이 대학교 어바나-샴페인 분자시각화 프로그램

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....

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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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