Method Article

Atomik Ölçekli Basamaklamadan Kaba Taneli Difüzyona Kadar DNA Boyunca Transkripsiyon Faktörü Protein Hareketlerinin Yapı Tabanlı Simülasyonu ve Örneklemesi

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

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

Bu protokolün amacı, örnek bir sistem olarak bir bitki transkripsiyon faktörü WRKY alan proteini kullanarak, DNA boyunca proteinin tek boyutlu difüzyonunun yapısal dinamiklerini ortaya çıkarmaktır. Bunu yapmak için, hem atomistik hem de kaba taneli moleküler dinamik simülasyonları ve kapsamlı hesaplamalı örneklemeler uygulanmıştır.

Abstract

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

Transkripsiyon faktörü (TF) proteininin DNA boyunca tek boyutlu (1-D) kayması, genetik düzenleme için hedef DNA bölgesini bulmak için TF'nin difüzyonunun kolaylaştırılması için gereklidir. TF'nin DNA'ya kayması veya basması baz çifti (bp) çözünürlüğünü tespit etmek hala deneysel olarak zordur. Son zamanlarda, DNA boyunca küçük bir WRKY alan TF proteininin kendiliğinden 1-bp adımını yakalayan tüm atom moleküler dinamiği (MD) simülasyonlarını gerçekleştirdik. Bu tür simülasyonlardan elde edilen 10 μs WRKY adım yoluna dayanarak, buradaki protokol, 1-bp protein basamağı için Markov durum modelini (MSM) oluşturarak, MSM yapısı için test edilen çeşitli mikro ve makro durumlarla TF-DNA sistemlerinin daha kapsamlı konformasyonel örneklemelerinin nasıl yapılacağını göstermektedir. TF proteininin DNA ile birlikte yapısal temeldeki işlemsel 1-D difüzyonel aramasını incelemek için, protokol ayrıca sistemin uzun süreli ölçek dinamiklerini örneklemek için kaba taneli (CG) MD simülasyonlarının nasıl yapılacağını göstermektedir. Bu tür CG modellemesi ve simülasyonları, TF proteininin onlarca mikrosaniyenin üzerindeki işlemsel difüzyonel hareketleri üzerindeki protein-DNA elektrostatik etkilerini, tüm atom simülasyonlarından ortaya çıkarılan mikrosaniyeler ila mikrosaniyeler arasındaki protein adım atma hareketleriyle karşılaştırıldığında ortaya çıkarmak için özellikle yararlıdır.

Introduction

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

Transkripsiyon faktörleri (TF), gen transkripsiyonunu ve ilgili aktiviteleri bağlamak ve düzenlemek için hedef DNA'yıarar 1. Üç boyutlu (3D) difüzyonun yanı sıra, TF'nin kolaylaştırılmış difüzyonunun, proteinlerin tek boyutlu (1D) DNA boyunca kayabileceği veya zıplayabileceği veya DNA 2,3,4,5,6,7 üzerinde segmentler arası transfer ile atlayabileceği hedef DNA araştırması için gerekli olduğu öne sürülmüştür.

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

Protocol

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

1. Atomik MD simülasyonlarından Markov durum modelinin (MSM) yapımı

  1. Spontan protein basamak yolu ve başlangıç yapılarının toplanması
    1. "İleri" 1-bp basamak yolundan (yani, her nanosaniye için bir kare) 10000 kareyi eşit olarak çıkarmak için daha önce elde edilen 10-μs tüm atomlu MD yörünge8'i kullanın. Toplam çerçeve sayısının, tüm temsili konformasyonları içerecek kadar büyük olması gerekir.
    2. VMD'de Dosya > Koordinatları kaydet'e tıklayarak geçiş yolunu hazırlayın, seçili atomlar kutusuna protein veya nükleik yazın ve Çerçeveler kutusunda çerçeveleri seçin, gerekli kareleri almak için....

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

Results

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

Rotasyona bağlı kayar veya MSM konstrüksiyonundan WRKY'nin 1 bp kademelendirilmesi
DNA üzerindeki tüm protein konformasyonları, DNA boyunca protein COM'unun uzunlamasına hareketi X ve dönme açısı ile eşleştirilir (bkz. Şekil 3A). Bu iki derecenin doğrusal eşleşmesi, DNA üzerindeki WRKY alan proteininin rotasyonla eşleşmiş adımını gösterir. Konformasyonlar MSM'de 3 makro duruma (S1, S2 ve S3) daha fazla kümelenebilir. WRKY'nin ileri adımlanması daha sonra S1->S2->S3 .......

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

Discussion

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

Bu çalışma, DNA boyunca hareket eden bir transkripsiyon faktörünü veya TF proteinini ortaya çıkarmak için yapı tabanlı hesaplamalı simülasyonun ve örneklemelerin nasıl yürütüleceğini, sadece adımlamanın atomik detayında değil, aynı zamanda DNA hedef aramasında TF'nin kolaylaştırılmış difüzyonu için gerekli olan işlemsel difüzyonda da ele almaktadır. Bunu yapmak için, homojen poli-A DNA boyunca 1-bp için küçük bir TF alan proteini WRKY adımının Markov durum modeli veya MSM'si ilk önce inşa edildi, böylece protein-DNA aray.......

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

Disclosures

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

Yazarların çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgements

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

Bu çalışma NSFC Grant #11775016 ve #11635002 tarafından desteklenmiştir. JY, NSF DMS 1763272) aracılığıyla UCI'nin CMCF'si ve UCI'dan Simons Vakfı hibe #594598 ve başlangıç fonu tarafından desteklenmiştir. LTD, Şangay Doğa Bilimleri Vakfı #20ZR1425400 ve #21JC1403100 tarafından desteklenmektedir. Pekin Hesaplamalı Bilim Araştırma Merkezi'nin (CSRC) hesaplama desteğini de kabul ediyoruz.

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CafeMolKyoto Üniversitesiiri taneli (CG) simülasyonlar
GROMACSGroningen Üniversitesi Kraliyet Teknoloji Enstitüsü Uppsala Üniversitesimoleküler dinamik simülasyonlar yazılımı
MatlabMathWorksSayısal hesaplama yazılımı
MSMbuilderStanford ÜniversitesiMSM VMD oluşturun
URBANA-CHAMPAIGN'DEKI ILLINOIS ÜNİVERSİTESİmoleküler görselleştirme programı

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