Структурно-ориентированное моделирование и отбор проб движения белка транскрипционного фактора вдоль ДНК от ступенчатого шага атомного масштаба до крупнозернистой диффузии

Summary

Целью данного протокола является выявление структурной динамики одномерной диффузии белка по ДНК с использованием в качестве образцовой системы растительного транскрипционного фактора WRKY доменного белка. Для этого было реализовано как атомистическое, так и крупнозернистое моделирование молекулярной динамики, а также обширные вычислительные выборки.

Abstract

Одномерное (1-D) скольжение белка транскрипционного фактора (TF) вдоль ДНК необходимо для облегченной диффузии TF для обнаружения целевого участка ДНК для генетической регуляции. Обнаружение разрешения пары оснований (bp) tf, скользящего или наступающего на ДНК, все еще экспериментально сложно. Недавно мы выполнили моделирование молекулярной динамики всех атомов (MD), фиксирующее спонтанное 1-bp степпинг небольшого белка TF домена WRKY вдоль ДНК. Основываясь на 10 мкс ступенчатого пути WRKY, полученном в результате такого моделирования, протокол здесь показывает, как проводить более обширные конформационные выборки систем TF-ДНК путем построения модели состояния Маркова (MSM) для степпинга белка 1-bp с различным количеством микро- и макро-состояний, протестированных для построения MSM. Чтобы исследовать процессный 1-D диффузионный поиск белка TF вместе со структурной основой, протокол дополнительно показывает, как проводить крупнозернистое (CG) MD-моделирование для выборки долгосрочной масштабной динамики системы. Такое CG-моделирование и симуляции особенно полезны для выявления электростатического воздействия белка-ДНК на процессивные диффузионные движения белка TF выше десятков микросекунд по сравнению с субмикросекундами до микросекунд ступенчатыми движениями белка, выявленными в результате моделирования всех атомов.

Introduction

Транскрипционные факторы (TF) ищут целевую ДНК для связывания и регулирования транскрипции генов и связанных с ней действий¹. Помимо трехмерной (3D) диффузии, было предложено, чтобы облегченная диффузия TF была необходима для поиска целевой ДНК, в котором белки также могут скользить или прыгать по одномерной (1D) ДНК или прыгать с межсегментальным переносом на ДНК 2,3,4,5,6,7.

В недавнем исследовании....

Protocol

1. Построение модели состояния Маркова (МСМ) на основе атомного моделирования MD

1. Спонтанный белковый ступенчатый путь и сбор начальных структур
   1. Используйте ранее полученную 10-мкс полноатомную траекторию MD⁸ для равномерного извлечения 10000 кадров из «прямого» ступенчатого пути 1-bp (т.е. одного кадра на каждую наносекунду). Общее количество кадров должно быть достаточно большим, чтобы включать все репрезентативные конформации.
   2. Подготовьте путь перехода с 10000 кадрами в VMD, щелкнув Файл > Сохранить координаты, введите белок или нуклеину в поле Выбранные атомы и выберите кадры в п....

Results

Скольжение с вращением или шаг WRKY 1 bp от конструкции MSM
Все конформации белка на ДНК сопоставляются с продольным движением X и углом вращения белка COM вдоль ДНК (см. Рисунок 3A). Линейная связь этих двух степеней указывает на вращательную связь белка домена WRKY на ДНК. Конформации могут быть дополнительно сгруппированы в 3 макросостояния (S1, S2 и S3) в MSM. Затем шаг вперед WRKY следует за переходом макросостояний S1->S2->S3. S1 относится к метастабильному со.......

Discussion

В этой работе рассматривается, как проводить структурное вычислительное моделирование и выборку, чтобы выявить транскрипционный фактор или белок TF, движущийся вдоль ДНК, не только при атомной детализации шага, но и при процессивной диффузии, которая необходима для облегченной диффузии TF в поиске мишеней ДНК. Для этого сначала была построена модель состояния Маркова или МСМ небольшого белка домена TF WRKY, шагающего для 1-bp вдоль однородной поли-А ДНК, так что можно выявить ансамбль конформаций белка на ДНК вместе с ко.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CafeMol	Киотский университет		крупнозернистое (CG) моделирование
GROMACS	Университет Гронингена Королевский технологический институт Уппсальский университет		обеспечение для молекулярной динамики
Matlab	MathWorks		Программное обеспечение для численных расчетов
MSMbuilder	Стэнфордский университет		сборка MSM
VMD	Программа молекулярной визуализации Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне