Method Article

Structuurgebaseerde simulatie en bemonstering van transcriptiefactoreiwitbewegingen langs DNA van atomaire schaalstappen naar grofkorrelige diffusie

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

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

Het doel van dit protocol is om de structurele dynamiek van eendimensionale diffusie van eiwit langs DNA te onthullen, met behulp van een plantaardig transcriptiefactor WRKY-domeineiwit als een voorbeeldig systeem. Om dit te doen, zijn zowel atomistische als grofkorrelige moleculaire dynamicasimulaties samen met uitgebreide computationele bemonsteringen geïmplementeerd.

Abstract

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

Eendimensionaal (1-D) glijden van transcriptiefactor (TF) eiwit langs DNA is essentieel voor gefaciliteerde diffusie van de TF om de doel-DNA-site voor genetische regulatie te lokaliseren. Het detecteren van basenpaar (bp) resolutie van de TF glijden of stappen op het DNA is nog steeds experimenteel uitdagend. We hebben onlangs all-atom molecular dynamics (MD) simulaties uitgevoerd waarbij spontane 1-bp stappen van een klein WRKY domein TF-eiwit langs DNA worden vastgelegd. Op basis van het 10 μs WRKY-stappad verkregen uit dergelijke simulaties, laat het protocol hier zien hoe uitgebreidere conformatiemonsters van de TF-DNA-systemen kunnen worden uitgevoerd, door het Markov-toestandsmodel (MSM) te construeren voor de 1-bp eiwitstap, met verschillende aantallen micro- en macrotoestanden getest voor de MSM-constructie. Om processieve 1D diffusionele zoektocht van het TF-eiwit samen met structurele basis te onderzoeken, laat het protocol verder zien hoe grofkorrelige (CG) MD-simulaties kunnen worden uitgevoerd om de langetermijnschaaldynamiek van het systeem te bemonsteren. Dergelijke CG-modellering en simulaties zijn bijzonder nuttig om de eiwit-DNA elektrostatische effecten op de processieve diffusieve bewegingen van het TF-eiwit boven tientallen microseconden te onthullen, in vergelijking met sub-microseconden tot microseconden eiwitstapbewegingen onthuld uit de simulaties van alle atomen.

Introduction

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

Transcriptiefactoren (TF) zoeken naar het doel-DNA om gentranscriptie en gerelateerde activiteiten te binden en te reguleren1. Afgezien van de driedimensionale (3D) diffusie, is gesuggereerd dat de gefaciliteerde diffusie van TF essentieel is voor doel-DNA-onderzoek, waarbij de eiwitten ook langs eendimensionaal (1D) DNA kunnen glijden of hoppen, of springen met intersegmentale overdracht op het DNA 2,3,4,5,6,7.

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

Protocol

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

1. Constructie van het Markov-toestandsmodel (MSM) op basis van atomaire MD-simulaties

  1. Spontane eiwitstaproute en initiële structurenverzameling
    1. Gebruik een eerder verkregen MD-traject van 10 μs met alle atomen8 om 10000 frames gelijkmatig te extraheren uit een "voorwaarts" stappenpad van 1 bp (d.w.z. één frame voor elke nanoseconde). Het totale aantal frames moet voldoende groot zijn om alle representatieve conformaties te omvatten.
    2. Bereid het overgangspad voor met 10000 frames in VMD door te klikken op Bestand > Coördinaten opslaan, eiwit of nucleïsch typen in het vak geselecteerd....

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

Results

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

Rotatie-gekoppelde glijding of 1 bp stap van WRKY uit de MSM-constructie
Alle eiwitconformaties op het DNA zijn in kaart gebracht aan de longitudinale beweging X en rotatiehoek van het eiwit COM langs DNA (zie figuur 3A). De lineaire koppeling van deze twee graden duidt op rotatie-gekoppelde stappen van het WRKY-domeineiwit op het DNA. De conformaties kunnen verder worden geclusterd in 3 macrotoestanden (S1, S2 en S3) in de MSM. De voorwaartse stap van WRKY volgt dan de m.......

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

Discussion

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

Dit werk richt zich op het uitvoeren van op structuur gebaseerde computationele simulatie en bemonsteringen om een transcriptiefactor of TF-eiwit te onthullen dat langs DNA beweegt, niet alleen bij atomaire details van stappen, maar ook in de processieve diffusie, die essentieel is voor de gefaciliteerde diffusie van TF in het DNA-doelonderzoek. Om dat te doen, werd eerst het Markov-toestandsmodel of MSM van een klein TF-domeineiwit WRKY-stepping voor 1-bp langs homogeen poly-A-DNA geconstrueerd, zodat een ensemble van e.......

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

Disclosures

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

De auteurs hebben geen belangenverstrengeling.

Acknowledgements

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

Dit werk is ondersteund door NSFC Grant #11775016 en #11635002. JY werd ondersteund door de CMCF van de UCI via NSF DMS 1763272 en de Simons Foundation grant #594598 en start-up fonds van UCI. LTD is ondersteund door Natural Science Foundation van Shanghai #20ZR1425400 en #21JC1403100. We erkennen ook de computationele ondersteuning van het Beijing Computational Science Research Center (CSRC).

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMolKyoto Universitycoarse-grained (CG) simulations
GROMACSUniversity of Groningen Royal Institute of Technology Uppsala Universitymolecular dynamics simulations software
MatlabMathWorksNumerical calculation software
MSMbuilderStanford Universitybuild MSM
VMDUNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA-CHAMPAIGNmolecular visualization program

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