Анализ и построение структуры нуклеиновых кислот с 3DNA
26 апреля 2013 г.
3DNA пакет программного обеспечения является популярным и универсальным биоинформатики с возможностями, анализировать, строить и визуализировать трехмерные структуры нуклеиновых кислот. В данной статье представлены подробные протоколы для подмножества новые и популярные функции, доступные в 3DNA, применимо и к отдельным структурам и ансамбли связанных с ними структур.
Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы предоставить ученым лаборатории и другим специалистам набор программ 3D NA для исследования пространственной организации ДНК и РНК с помощью самых современных вычислительных инструментов. Это достигается путем загрузки программного обеспечения с форума 3D NA и его установки на локальный компьютер. Второй шаг заключается в анализе репрезентативной структуры ДНК на уровне ступеней составляющей пары оснований.
Затем та же структура ДНК модифицируется на уровне шага пары оснований, а затем перестраивается с использованием вновь определенных параметров шага пары оснований. Следующим этапом является анализ большого ансамбля связанных между собой структур. Заключительным этапом является выравнивание набора связанных структур ДНК на общей системе отсчета с целью визуализации глобальных искажений структур.
В конечном счете, инструменты 3D NA используются для изучения того, как отдельные шаги пар оснований, включая те, которые связаны с лекарствами и белками, способствуют общему сворачиванию ДНК, а также для выявления сайтов и направлений значительных глобальных искажений. Основное преимущество этого метода перед существующими методами заключается в том, что программное обеспечение надежно и широко применимо к множеству различных структур, содержащих нуклеиновые кислоты. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы биохимии и биофизики, например, как геномы организованы в трех измерениях и какую деформацию может принять ДНК.
Чтобы начать установку программного пакета, подключитесь к трем DA website@xthreed.org и нажмите на ссылку на форум 3D NA в рамках форума. Выберите ссылку для регистрации и следуйте инструкциям по созданию новой учетной записи.
После того, как имя пользователя и пароль будут установлены, войдите на форум, выберите ссылку для скачивания в разделе приветствия, а на новой странице выберите 3D NA download. Дважды щелкните по файлу tar gz, чтобы создать папку с именем X 3D NA dash V 2.1, которая содержит программное обеспечение 3D NA. Откройте приложение терминала, которое обычно находится в разделе «Утилиты» на компьютере Macintosh, и перейдите в каталог X 3D NA dash V 2.1.
Запустите сценарий настройки, необходимый для правильной работы 3D NA. Все команды, использованные в этом видео, можно найти в текстовом протоколе. Затем скопируйте две настройки экспорта строк, которые появятся на экране.
Если пользователь поместил программное обеспечение в каталог приложений, эти две строки должны отображаться, как показано ниже. Откройте приложение для редактирования текста, найденное в каталоге приложений. В меню форматирования выберите пункт Сделать обычным текстом.
Если файл BRC существует, откройте файл в текстовом виде, отредактируйте и вставьте настройки экспорта в конец файла. Если нет, файл bash RC существует, вставьте настройки экспорта в пустой файл и сохраните файл с именем bash RC в домашнем каталоге. Для того, чтобы новые настройки стали доступны, запустите только что сохраненный файл Bash RC в программе терминала.
В этом видео демонстрируется анализ репрезентативной структуры нуклеиновой кислоты, ДНК, связанной с белком HBB из глаза бактерии Borrelia bergdorf. Первым шагом в 3D NA анализе является создание файла, в котором перечислены все парные основания. Это делается путем ввода команды для применения программы Find para к атомной структуре, хранящейся в файле на NP two, MP two pdb.
Следующим этапом анализа является определение геометрических параметров, характеризующих конструкцию. Команда analyze берет в качестве входных данных файл базовой пары и создает несколько выходных файлов, которые появляются в рабочем каталоге. Затем геометрические значения можно вычислить, набрав два мегапикселя два бит/с.
Генерируемые выходные файлы включают в себя два MP two out, который содержит обзор рассчитанных параметров и bpco step par, который содержит список параметров твердого тела, помимо анализа структуры нуклеиновой кислоты, программное обеспечение 3D NA предоставляет возможность построения структурной модели из параметров твердого тела с помощью команды rebuild с целью создания приблизительной атомной модели, который включает в себя координаты как основных, так и базовых атомов. Введите команду, указанную в тексте. Эта команда предписывает 3D NA внедрить стандартное подтверждение магистрали BDNA при построении моделей по параметрам твердого тела.
Затем можно построить двойную винтовую модель с параметрами твердого тела, найденными в структуре H-B-B-D-N-A, набрав соответствующую команду. Файл bpco step par может быть отредактирован для создания измененной структуры. Здесь изменяются экстремальные углы крена, образованные в двух местах наибольшего изгиба.
Затем структура строится с измененным набором шаговых параметров в качестве входного файла. Эти две модели можно рассматривать с помощью стандартного молекулярного просмотрщика, в отличие от анализа структуры, содержащей одну нуклеиновую кислоту. В этой части видео будет показано, как анализировать большой ансамбль структур в наборе файлов, начиная с имен MD, подчеркивание, набор в один PDB и заканчивая числом.
Первым шагом в анализе является идентификация парных оснований, полученных путем запуска программы поиска пары, как и раньше, поскольку весь набор структур использует одну и ту же схему спаривания оснований, здесь необходимо выполнить поиск пары один раз на репрезентативном файле, который заканчивается на 1001. При этом генерируется информация о сопряжении оснований и сохраняется в файле MD на первом наборе BPS PS. На следующем шаге мы находим геометрические параметры всего набора конструкций с помощью ансамбля Command X 3D ncore. Анализировать. Затем желаемые параметры твердого тела могут быть извлечены из обзорного выходного файла MD на первом выходе.
Это выполняется с помощью фрагмента ансамбля Command X three DCO. Углы крена извлекаются, и создается текстовый файл углов крена, разделенный запятыми. Этот файл может быть прочитан в другие программы для дальнейшего анализа и построения графиков.
В самой последней версии 3D NA появилась новая функция, которая позволяет пользователю смотреть на несколько конструкций с общей точки зрения. Команда X three DCO ensemble reorient накладывает коллекцию связанных структур на общую пару оснований или шаг пары оснований, как и в предыдущих протоколах. Первым шагом является расчет сопряжения оснований ДНК с программой поиска пары.
В этом случае входной файл представляет собой два файла KEK pdb, содержащий 10 структур CIA coli, O 3D NA оператора, связанного с головным устройством белка LAC Repressor. Команда X три DCO ансамбль переориентации выровняет отдельные модели в многомодельной структуре на общей системе отсчета. Для этой команды в качестве входных данных требуется как PDB-файл, так и файл базового сопряжения из предыдущего шага.
Также в команду включается идентификатор шага пары оснований, относительно которого выравниваются все структуры. Веб-интерфейс W 3D NA включает в себя некоторые популярные функции программного пакета 3D NA. В этой части видео обращается внимание на возможность построения трехмерных моделей ДНК, украшенной белками, с помощью веб-сервера.
Первым шагом в создании модели ДНК, украшенной белком, является посещение веб-сайта W 3D NA, расположенного по адресу W три d.rutgers.edu. Выбор реконструкции из меню в верхней левой части страницы активирует возможности онлайн-построения моделей. Следующим шагом является выбор ссылки на шаблон ДНК связанного белка, которая находится в слегка затененном поле в середине новой страницы.
Этот выбор активирует выпадающее меню, которое позволяет пользователю указать количество связанных белков. Выбор количества связанных белков приводит к появлению новой страницы спецификации. Затем пользователь может ввести или вставить текст в нужной последовательности.
В текстовом поле, в середине новой страницы, есть раскрывающееся меню под текстовым полем для выбора спирального подтверждения несвязанных областей ДНК. В нижней части страницы спецификации есть текстовое поле для ввода позиций связывания и имен файлов связанных белков. Положение связывания указывает на расположение центра связанного с белком фрагмента на последовательности ДНК.
В нижней части страницы спецификации есть окно, которое позволяет пользователю создать предварительный просмотр ДНК, связанной с белком. В этом случае устанавливается флажок и нажимается кнопка «Продолжить». Это действие генерирует страницу обзора со списком выбранных параметров, а также любых ошибок, которые могли возникнуть из-за наложения выбранных сайтов привязки.
Пользователь может нажать кнопку «Назад», если необходимо внести какие-либо изменения, или кнопку сборки, чтобы продолжить. На следующей странице отображается статическое изображение белкового комплекса ДНК в его наиболее расширенном расположении и обеспечивается интерактивная визуализация в режиме онлайн через Интернет и Интернет. Пользователь также может скачать файл, содержащий атомные координаты.
Программные инструменты 3D NA обычно используются для анализа структур нуклеиновых кислот. Значения параметров твердого тела выявляют искажения в трехмерной структуре, такие как два участка экстремального изгиба ДНК в основную канавку с большими положительными углами крена, обнаруженные на этапах 13 и 22. В кристаллическом комплексе ДНК с боррелией Бергдорфа обнаружен белок RHBB.
Способность программного обеспечения восстанавливать структуры из этих величин позволяет определить, какой вклад вносят отдельные шаги основания и пар оснований в общую молекулярную складку. Как показано здесь, глобальное изгибание ДНК, вызванное HBB, отражает не только два отмеченных выше крайних искажения ролей. ДНК остается сильно изогнутой при реконструкции с выпрямлением этих ступеней пары оснований.
Это означает, что два самых больших значения роли были установлены в ноль. Новая возможность 3D NA исследовать большое количество связанных структур позволяет извлекать как последовательные, так и временные паттерны в пространственном расположении моделируемых молекул ДНК и РНК. Например, желтое покрытие углов крена между последовательными парами оснований в двух больших наборах смоделированных структур ДНК показывает преимущественное изгибание этих молекул на ступенях пермских пуриновых пар оснований.
Более высокие значения рулона, изображенные красным цветом, которые сохраняются в течение коротких периодов времени на концах ДНК, указывают на локализованное плавление и повторное коленопреклонение двойной спиральной структуры. Вариационные структуры других параметров твердого тела, таких как углы и расстояния между комплементарными основаниями, могут помочь расшифровать точные структурные искажения. Способность программного обеспечения 3D NA переориентировать родственные молекулы в общей системе отсчета раскрывает особенности общей структуры, скрытые во многих файлах, хранящихся в банке данных белков.
Например, традиционное выравнивание связанных структур на основе среднеквадратичного соответствия соответствующих атомов приводит к образованию ряда сходных пространственных путей, которые грубо накладываются друг на друга: 10 основанных на ЯМР моделей Esia coli, оператор O 3D NA, связанный с головными частями белка-репрессора LAC. Суперрасположение одних и тех же структур на общей системе координат на пяти простых концевых парах оснований каждого дуплекса обнаруживает значительные искажения глобальной структуры, при которых молекулы изгибаются в заметно разных направлениях. Структурная изменчивость может влиять на легкость, с которой белок-репрессор CIA coli LAC связывается с O three и индуцирует петлю между O three и последовательно удаленными операторами в операции LAC. Как показано здесь, точное размещение архитектурного белка, такого как HBB из Borrelia burgdorferi, может оказать значительное влияние на общую складчатость ДНК.
Если две копии известной структуры с высоким разрешением разделены 43 парами оснований, то фрагмент ДНК состоит из 81 пары оснований, то фрагмент ДНК замыкается в плотную, почти круглую конфигурацию. Если два белка разделены еще пятью парами оснований, ДНК следует по открытому извилистому пути. Очень различное расположение декорированного белком дуплекса показывает, как расстояние между архитектурными белками может повлиять на циклизацию или петлю ДНК после ее развития.
Этот метод проложил путь исследователям в области структурной биологии нуклеиновых кислот к изучению взаимодействий белков ДНК, РНК, сворачивания и дизайна наночастиц, чтобы лучше понять дефекты развития и заболевания, такие как рак, и разработать новые методы лечения.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен программный пакет 3DNA, являющийся универсальным биоинформатическим инструментом для анализа, построения и визуализации трехмерных структур нуклеиновых кислот. Предоставлены подробные протоколы использования новых функций, применимых как к отдельным структурам, так и к ансамблям.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Биоинформатика
- Структурная биология
- Анализ нуклеиновых кислот
Предыстория
- 3DNA широко используется для анализа структур нуклеиновых кислот.
- Он предоставляет инструменты для визуализации и модификации структур ДНК и РНК.
- Программное обеспечение разработано как для индивидуальных, так и для анализов ансамблей.
- Протоколы повышают доступность передовых вычислительных инструментов для лабораторных ученых.
Цель исследования
- Предоставить лабораторным ученым инструменты для исследования пространственной организации ДНК и РНК.
- Продемонстрировать возможности программного пакета 3DNA.
- Способствовать анализу как одиночных, так и множественных структур нуклеиновых кислот.
Используемые методы
- Скачивание и установка программного обеспечения 3DNA.
- Анализ представительной структуры ДНК на уровне шага пар оснований.
- Модификация структуры ДНК с использованием новых параметров шага пар оснований.
- Выравнивание связанных структур ДНК для визуализации глобальных искажений.
Основные результаты
- Успешная установка и настройка программного обеспечения 3DNA.
- Эффективный анализ и модификация структур ДНК.
- Визуализация структурных искажений в связанных ансамблях ДНК.
- Улучшенное понимание пространственной организации нуклеиновых кислот.
Выводы
- Программное обеспечение 3DNA является мощным инструментом для анализа нуклеиновых кислот.
- Протоколы облегчают использование передовых вычислительных методов в исследованиях.
- Результаты способствуют пониманию структур ДНК и РНК.
Часто задаваемые вопросы
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
