Method Article

Symulacja oparta na strukturze i pobieranie próbek ruchów białek czynnika transkrypcyjnego wzdłuż DNA od stopniowania w skali atomowej do dyfuzji gruboziarnistej

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

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

Celem tego protokołu jest ujawnienie strukturalnej dynamiki jednowymiarowej dyfuzji białka wzdłuż DNA, przy użyciu białka domeny roślinnego czynnika transkrypcyjnego WRKY jako przykładowego systemu. W tym celu wdrożono zarówno atomistyczne, jak i gruboziarniste symulacje dynamiki molekularnej, a także obszerne próbkowanie obliczeniowe.

Abstract

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

Jednowymiarowe (1-D) przesuwanie białka czynnika transkrypcyjnego (TF) wzdłuż DNA jest niezbędne do ułatwienia dyfuzji TF w celu zlokalizowania docelowego miejsca DNA dla regulacji genetycznej. Wykrycie rozdzielczości par zasad (bp) TF przesuwającego się lub nadepnięcia na DNA jest nadal eksperymentalnie trudne. Niedawno przeprowadziliśmy symulacje dynamiki molekularnej wszystkich atomów (MD), rejestrując spontaniczne krokowanie 1-pz małego białka TF domeny WRKY wzdłuż DNA. Opierając się na ścieżce krokowej 10 μs WRKY uzyskanej z takich symulacji, protokół tutaj pokazuje, jak przeprowadzić bardziej rozległe próbki konformacyjne systemów TF-DNA, konstruując model stanu Markowa (MSM) dla krokowania białka 1-bp, z różną liczbą mikro- i makrostanów testowanych pod kątem budowy MSM. W celu zbadania procesowego dyfuzyjnego wyszukiwania 1D białka TF wzdłuż DNA o podstawie strukturalnej, protokół pokazuje ponadto, jak przeprowadzać symulacje gruboziarniste (CG) MD w celu próbkowania dynamiki systemu w skali długoterminowej. Takie modelowanie i symulacje CG są szczególnie przydatne do ujawnienia elektrostatycznego wpływu białka-DNA na procesywne ruchy dyfuzyjne białka TF powyżej kilkudziesięciu mikrosekund, w porównaniu z submikrosekundowymi do mikrosekundowymi ruchami krokowymi białek ujawnionymi w symulacjach wszystkich atomów.

Introduction

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

Czynniki transkrypcyjne (TF) poszukują docelowego DNA, aby związać i regulować transkrypcję genów oraz związane z tym działania1. Oprócz trójwymiarowej (3D) dyfuzji, zasugerowano, że ułatwiona dyfuzja TF jest niezbędna do poszukiwania docelowego DNA, w którym białka mogą również ślizgać się lub przeskakiwać wzdłuż jednowymiarowego (1D) DNA lub skakać z transferem międzysegmentowym na DNA2,3,4,5,6,7.

....

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

Protocol

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

1. Budowa modelu stanu Markowa (MSM) na podstawie atomowych symulacji MD

  1. Spontaniczny szlak krokowy białka i zbiór początkowych struktur
    1. Użyj wcześniej uzyskanej trajektorii MD 10 μs dla wszystkich atomów8, aby równomiernie wyodrębnić 10000 ramek ze ścieżki krokowej "do przodu" 1 pz (tj. jedna klatka na każdą nanosekundę). Całkowita liczba ramek musi być wystarczająco duża, aby objąć wszystkie reprezentatywne konformacje.
    2. Przygotuj ścieżkę przejścia z 10000 ramek w VMD, klikając Plik > Zapisz współrzędne, wpisz białko lub nukleinowy w polu wybrane atomy i wybierz klatki w polu....

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

Results

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

Przesuwanie sprzężone z rotacją lub krok 1 pz WRKY z konstrukcji MSM
Wszystkie konformacje białek w DNA są odwzorowywane na ruch podłużny X i kąt obrotu białka COM wzdłuż DNA (patrz Rysunek 3A). Liniowe sprzężenie tych dwóch stopni wskazuje na sprzężone z rotacją stopniowanie białka domeny WRKY na DNA. Konformacje można dalej grupować w 3 makrostany (S1, S2 i S3) w MSM. Krok naprzód WRKY następuje następnie po przejściu makrostanu S1->S2->S3. S1 odnosi się do stanu metastabi.......

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

Discussion

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

Praca ta dotyczy sposobu przeprowadzania symulacji obliczeniowych opartych na strukturze i pobierania próbek w celu ujawnienia czynnika transkrypcyjnego lub białka TF poruszającego się wzdłuż DNA, nie tylko w atomowych szczegółach krokowania, ale także w dyfuzji procesowej, która jest niezbędna do ułatwionej dyfuzji TF w poszukiwaniu celu DNA. Aby tego dokonać, najpierw skonstruowano model stanu Markowa lub MSM małego białka WRKY w domenie TF krokowego dla 1-bp wzdłuż jednorodnego DNA poli-A, dzięki czemu można ujawnić z.......

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

Disclosures

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

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Acknowledgements

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

Ta praca została wsparta przez Grant NSFC #11775016 i #11635002. JY jest wspierany przez CMCF UCI za pośrednictwem NSF DMS 1763272 oraz grantu #594598 Fundacji Simonsa i funduszu startowego z UCI. LTD jest wspierana przez Fundację Nauk Przyrodniczych w Szanghaju #20ZR1425400 i #21JC1403100. Dziękujemy również za wsparcie obliczeniowe ze strony Pekińskiego Centrum Badań Obliczeniowych (CSRC).

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMolw KiotoSymulacje gruboziarniste (CG)
GROMACSUniwersytet w Groningen Królewski Instytut Technologii UniwersytetOprogramowanie do symulacji dynamiki molekularnej
MatlabMathWorksOprogramowanie do obliczeń numerycznych
MSMbuilderUniwersytetzbuduj MSM
VMDProgramwizualizacji molekularnej
Uniwersytet w Uppsali Stanforda Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign

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