Het analyseren en opbouwen nucleinezuurstructuren met 3DNA
26 april 2013
De 3DNA softwarepakket is een populaire en veelzijdige bioinformatica tool met mogelijkheden om te analyseren, construeren, en drie-dimensionale nucleïnezuur structuren te visualiseren. Dit artikel presenteert gedetailleerde protocollen voor een subset van nieuwe en populaire functies die beschikbaar zijn in 3DNA, van toepassing op zowel individuele structuren en ensembles van verwante structuren.
Het algemene doel van deze procedure is om de 3D NA-suite van programma's naar laboratoriumwetenschappers en anderen te brengen om de ruimtelijke organisatie van DNA en RNA te onderzoeken met behulp van de nieuwste computationele hulpmiddelen. Dit wordt bereikt door eerst de software te downloaden van het 3D NA-forum en deze op een lokale computer te installeren. De tweede stap is het analyseren van een representatieve DNA-structuur op het niveau van de afzonderlijke basenpaarstappen.
Vervolgens wordt dezelfde DNA-structuur gewijzigd op het niveau van de basenpaarstappen en wordt vervolgens opnieuw opgebouwd met behulp van de nieuw gedefinieerde basenpaarstapparameters. De volgende stap is de analyse van een grote reeks verwante structuren. De laatste stap is het uitlijnen van een reeks verwante DNA-structuren op een gemeenschappelijk referentiekader om globale vervormingen van de structuren te visualiseren.
Uiteindelijk worden de 3D NA-tools gebruikt om te onderzoeken hoe individuele basenpaarstappen, inclusief die gebonden aan geneesmiddelen en eiwitten, bijdragen aan de algehele vouwing van DNA en om de locaties en richtingen van aanzienlijke globale vervormingen te identificeren. Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven bestaande methoden is dat de software robuust is en breed toepasbaar is op een verscheidenheid aan verschillende nucleïnezuurhoudende structuren. De methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in de biochemie en biofysica, zoals hoe genomen in drie dimensies zijn georganiseerd en wat voor soort vervorming DNA kan aannemen.
Om met de installatie van het softwarepakket te beginnen, maakt u verbinding met de drie DA-website@xthreed. org en klikt u op de link naar het 3D NA-forum binnen het forum. Selecteer de registratielink en volg de instructies om een nieuw account aan te maken.
Zodra een gebruikersnaam en wachtwoord zijn vastgesteld, logt u in op het forum, selecteert u de downloadlink in de welkomstsectie en kiest u op de nieuwe pagina 3D NA downloaden. Dubbelklik op het tar gz-bestand om een map met de naam X 3D NA dash V 2.1 te maken, die de 3D NA-software bevat. Open de terminaltoepassing, die meestal onder hulpprogramma's op een Macintosh te vinden is, en ga naar de map X 3D NA dash V 2.1.
Voer het installatiescript uit dat nodig is voor 3D NA om goed te functioneren. Alle commando's die in deze video worden gebruikt, zijn te vinden in het tekstprotocol. Kopieer vervolgens de twee regels exportinstellingen die op het scherm worden afgedrukt.
Als de gebruiker de software in de toepassingsmap heeft geplaatst, moeten de twee regels er zo uitzien. Open de tekstbewerkingstoepassing die in de toepassingsmap is te vinden. Selecteer onder het menu Formaat de optie Gewoon tekst maken.
Als er een BRC-bestand bestaat, opent u het bestand in tekst, bewerkt en plakt u de exportinstellingen aan het einde van het bestand. Als er geen bash RC-bestand bestaat, plakt u de exportinstellingen in een leeg bestand en slaat u het op met de bestandsnaam bash RC in de homedirectory. Om ervoor te zorgen dat de nieuwe instellingen beschikbaar zijn, voert u het nieuw opgeslagen Bash RC-bestand uit binnen het terminalprogramma.
Deze video toont de analyse van een representatieve nucleïnezuurstructuur, het DNA dat gebonden is aan het HBB-eiwit van de bacterie Borrelia bergdorf eye. De eerste stap in de 3D NA-analyse is het maken van een bestand dat alle gepaarde basen vermeldt. Dit gebeurt door een commando in te typen om het Find para-programma toe te passen op de atoomstructuur die is opgeslagen in het bestand tot NP twee, MP twee pdb.
De volgende stap in de analyse is het bepalen van de geometrische parameters die de structuur karakteriseren. Het commando analyse neemt het basenpaarbestand als invoer en maakt verschillende uitvoerbestanden die in de werkmap verschijnen. De geometrische waarden kunnen vervolgens worden berekend door te typen, analyse twee MP twee bps.
De gegenereerde uitvoerbestanden omvatten twee MP twee out, die een overzicht bevat van de berekende parameters en bpco step par, dat een lijst bevat van de stijve lichaamsparameters naast de analyse van een nucleïnezuurstructuur. De 3D NA-software biedt de mogelijkheid om een structureel model te bouwen vanuit stijve lichaamsparameters met behulp van de rebuild-opdracht om een benaderd atoommodel te maken, dat coördinaten bevat voor zowel ruggengraat als base-atomen. Typ het commando dat in de tekst staat vermeld. Dit commando geeft 3D NA de opdracht om een standaard BDNA ruggengraatbevestiging te introduceren bij het bouwen van modellen vanuit stijve lichaamsparameters.
Een dubbelhelixaal model met de stijve lichaamsparameters die in de H-B-B-D-N-A-structuur zijn gevonden, kan worden gebouwd door het juiste commando te typen. Het bpco step par-bestand kan worden bewerkt om een gemodificeerde structuur te genereren. Hier worden de extreme rolhoeken gevormd op de twee locaties met de grootste buiging gewijzigd.
De structuur wordt vervolgens gebouwd met de gemodificeerde set stapparameters als invoerbestand. De twee modellen kunnen worden bekeken met een standaard moleculaire viewer in tegenstelling tot de analyse van een enkele nucleïnezuurhoudende structuur. Dit gedeelte van de video laat zien hoe een grote reeks structuren in een reeks bestanden kan worden geanalyseerd, beginnend met de namen MD onderstrepingsteken set een PDB en eindigend met een nummer.
De eerste stap in de analyse is de identificatie van de gepaarde basen die worden verkregen door het Find pair-programma uit te voeren zoals eerder, omdat de hele reeks structuren hetzelfde basenpaarschema delen, moet Find pair eenmaal worden uitgevoerd op een representatief bestand hier, het bestand dat eindigt op 1001. Dit genereert de basenpaarinformatie en slaat deze op in het bestand MD bij set een BPS PS. De volgende stap vindt de geometrische parameters van de hele reeks structuren met behulp van de opdracht X 3D ncore ensemble.Analyze. Vervolgens kunnen de gewenste stijve lichaamsparameters worden geëxtraheerd uit het overzichtsuitvoerbestand MD bij set een out.
Dit wordt uitgevoerd met behulp van de opdracht X drie DCO ensemble extract. De rolhoeken worden geëxtraheerd en er wordt een door kom
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert het 3DNA softwarepakket, een veelzijdige bioinformaticatool voor het analyseren, construeren en visualiseren van driedimensionale nucleïnezuurstructuren. Gedetailleerde protocollen worden gegeven voor het gebruik van nieuwe functies die van toepassing zijn op zowel individuele structuren als ensembles.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Bioinformatica
- Structuurbiologie
- Nucleïnezuuranalyse
Achtergrond
- 3DNA wordt veel gebruikt voor nucleïnezuurstructuuranalyse.
- Het biedt tools voor visualisatie en wijziging van DNA- en RNA-structuren.
- De software is ontworpen voor zowel individuele als ensemble-analyses.
- Protocollen verbeteren de toegankelijkheid van geavanceerde computationele tools voor laboratoriumwetenschappers.
Doel van de studie
- Laboratoriumwetenschappers voorzien van tools voor het onderzoeken van de ruimtelijke organisatie van DNA en RNA.
- Demonstreren van de mogelijkheden van het 3DNA softwarepakket.
- Faciliteren van de analyse van zowel enkele als meerdere nucleïnezuurstructuren.
Gebruikte methoden
- Download en installatie van de 3DNA-software.
- Analyse van een representatieve DNA-structuur op basepair-stappenniveau.
- Wijziging van de DNA-structuur met behulp van nieuwe basepair-stappenparameters.
- Uitlijning van gerelateerde DNA-structuren voor visualisatie van globale vervormingen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle installatie en setup van de 3DNA-software.
- Effectieve analyse en wijziging van DNA-structuren.
- Visualisatie van structurele vervormingen in gerelateerde DNA-ensembles.
- Verbeterd begrip van de ruimtelijke organisatie van nucleïnezuur.
Conclusies
- De 3DNA-software is een krachtig hulpmiddel voor nucleïnezuuranalyse.
- Protocollen vergemakkelijken het gebruik van geavanceerde computationele methoden in onderzoek.
- Bevindingen dragen bij aan het begrip van DNA- en RNA-structuren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
3DNA enables biopharma R&D teams to analyze and reconstruct nucleic acid structures with atomic-level precision, supporting target validation in DNA-protein interaction studies. By quantifying rigid-body parameters and visualizing global distortions, the software provides mechanistic insights that de-risk early-stage hypotheses about genomic folding and ligand binding. This capability enhances predictive confidence in lead identification campaigns targeting chromatin architecture or transcriptional regulation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by assigning base pairs and determining rigid-body parameters that clarify nucleic acid spatial organization.
- Operational Value: Enables functional target validation through reconstruction of atomic models from geometric parameters, supporting mechanistic de-risking.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying how individual base pair steps contribute to global DNA folding, informing go/no-go decisions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by analyzing ensembles of NMR or MD-derived structures to extract time-dependent spatial patterns.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility via ensemble reorientation on a common reference frame, enabling reliable compound evaluation.
- Scalability: Highlights platform reuse through w3DNA web server capabilities for building protein-decorated DNA models at user-specified locations.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Discusses disease relevance by analyzing how architectural proteins like HBB induce DNA looping, with implications for developmental defects and cancer.
- Preclinical Alignment: Describes continuity from discovery through preclinical validation by visualizing global distortions in related DNA ensembles.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports decisions by identifying sites and directions of sizable global distortions that may influence protein binding efficacy.
Pipeline & Workflow Integration
3DNA integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification and Preclinical work, supporting hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking.
- Discovery Biology: Explains how the method supports hypothesis testing and pathway clarification through base pair assignment and rigid-body parameter determination.
- Screening: Describes assay readiness and reproducibility via ensemble analysis and reorientation commands that enable cross-structure comparison.
- Analytics: Highlights measurements such as roll, tilt, and twist angles that help teams compare conditions and detect structural anomalies.
- Translational Research: Connects the method to preclinical continuity by analyzing how protein binding alters DNA conformation and looping potential.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability through the w3DNA web server and ensemble analysis tools applicable across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in nucleic acid structural biology.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of structural analysis across individual and ensemble datasets.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in chromatin-targeted programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative structural outputs.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in structural biology and bioinformatics to interpret rigid-body parameters and structural models.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs include a local Unix-based system with terminal access and molecular visualization software.
- Cross-team standardization requirements involve consistent use of file naming conventions and parameter extraction protocols for ensemble analyses.
- Adaptation considerations across model systems include adjusting helical confirmation settings in w3DNA for A-, B-, or Z-DNA conformations.
- Practical limitations include the need for high-quality input structures and careful validation when modifying base pair step parameters to avoid unrealistic models.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:49
Installation of the Software Package
4:02
Analysis of a Crystal Structure
8:15
Superposition of Multi-model Structures onto a Common Reference Frame
11:54
Results: Nucleic Acid Structure Analysis and Reconstruction with 3DNA
15:52
Conclusion
5:22
Construction of a DNA Structure from Rigid-body Parameters
6:38
Analysis of Multi-model Structure Files
9:29
Construction of a Protein-decorated DNA Molecule
