Het analyseren en opbouwen nucleinezuurstructuren met 3DNA
Summary
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.
Abstract
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. Protocol 1 bevat de set van instructies die nodig zijn om de software te downloaden en te installeren. Dit wordt gevolgd in Protocol 2, door de analyse van een nucleïnezuurstructuur, inclusief het ontwikkelen van basenparen en de bepaling van starre lichamen parameters die de structuur beschreven en in Protocol 3, met een beschrijving van de reconstructie van een atomaire model van een structuur van de starre lichamen parameters. De meest recente versie van 3DNA, versie 2.1, heeft nieuwe functies voor de analyse en manipulatie van ensembles van structuren, zoals die afgeleid uit nucleaire magnetische resonantie (NMR) metingen en moleculaire dynamische (MD) Simulaties; deze functies worden in protocollen 4 en 5. Naast de 3DNA stand-alone softwarepakket, de w3DNA webserver bij http://w3dna.rutgers.edu , verschaft een gebruikersvriendelijke interface om geselecteerde functies van de software. Protocol 6 toont een nieuw kenmerk van de site voor het bouwen van modellen van lange DNA-moleculen versierd met gebonden eiwitten op door de gebruiker opgegeven locaties.
Introduction
Inzicht in de driedimensionale structuur van DNA, RNA en hun complexen met eiwitten, geneesmiddelen en andere liganden, is cruciaal voor het ontcijferen van de diverse biologische functies, en om het rationeel ontwerpen van geneesmiddelen. Verkenning van dergelijke structuren bestaat uit drie afzonderlijke, maar nauw verbonden onderdelen: analyse (om patronen uit te pakken in de vormen en interacties), modellering (op energetica en moleculaire dynamica te beoordelen), en visualisatie. Structurele analyse en modelbouw zijn in wezen twee kanten van dezelfde medaille, en visualisatie vult beiden.
De 3DNA suite van computerprogramma's is een steeds populairder wordende structurele bio toolkit met mogelijkheden om te analyseren, construeren, en visualiseer driedimensionale nucleïnezuur structuren. Eerdere publicaties schetste de mogelijkheden van de software 1, mits recepten om geselecteerde taken uit te voeren 2, introduceerde de webgebaseerde interfacenaar populaire functies van de software 3, gepresenteerd databases van structurele kenmerken verzameld met behulp van 3DNA 4, 5 vlak en de bruikbaarheid van de software in de analyse van zowel DNA en RNA structuren 6, 7.
Het doel van dit artikel is om de 3DNA software kit te brengen naar het laboratorium wetenschappers en anderen met belangen en / of behoeften aan DNA en RNA ruimtelijke organisatie met state-of-the-art computationele gereedschappen te onderzoeken. De protocollen die hier voorgesteld zijn stap-voor-stap instructies (i) om de software te downloaden en te installeren op een Mac OS X-systeem, (ii-iii) om DNA te analyseren en aan te passen op het niveau van de samenstellende stappen base-pair, ( iv-v) te analyseren en af te stemmen sets van verwante DNA-structuren, en (vi) de modellen van de eiwit-versierde DNA-ketens met de gebruiksvriendelijke w3DNA webinterface te bouwen. De software heeft de mogelijkheid om te analyseren individuele structuren opgelost met behulp van X-ray kristallografische methoden als groteensembles structuren bepaald met nucleaire magnetische resonantie (NMR) methode of gegenereerd door computer-simulatietechnieken.
De hier onderzochte structuren omvatten (i) de hoge-resolutie kristalstructuur van DNA gebonden aan de HBB eiwit van Borrelia burgdorferi 8 (de tick-borne bacterie die ziekte veroorzaakt Lyme bij mensen 9, 10), (ii) twee grote sets opeenvolgend Verwante DNA-moleculen geproduceerd moleculaire simulaties 11 – 4500 snapshots van d (GGCAAAATTTTGCC) 2 en d (CCGTTTTAAAACGG) 2 tijdens de berekeningen op 100 psec stappen verzameld, en (iii) een klein ensemble van NMR gebaseerde structuren van de O3 DNA operator gebonden aan de hoofddeksels van de Escherichia coli Lac repressor eiwit 12. De onderstaande instructies bevatten informatie over hoe u toegang tot de bestanden van atoomcoördinaten geassocieerd met elk van deze structuren, alsook hoe 3DNA (een kopie van dit bestand wordt gevonden gebruikenop de 3DNA forum op http://forum.x3dna.org/jove ) om deze structuren te onderzoeken en aan te passen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De set van protocollen die in dit artikel alleen ingaan op de mogelijkheden van de 3DNA suite van programma's. Het gereedschap kan worden toegepast op RNA structuren die niet-canonieke basenparen identificeren, de secundaire structurele contexten waarin deze koppeling optreedt bepalen de ruimtelijke dispositie schroeflijnvormige fragmenten kwantificeren, de overlap van basen meten langs de keten ruggengraat, etc. De ombouw commando kan de gebruiker eenvoudig en informatieve blok weergegeven van de bases en basenpare…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij zijn dankbaar dat Jiří Sponsor voor het delen van de coördinaten van de dubbele DNA-helices gegenereerd in moleculaire dynamica simulaties. Wij erkennen ook Nada Spackova voor hulp bij het downloaden van deze structuren. Ondersteuning van dit werk door USPHS Onderzoek Subsidies GM34809 en GM096889 is dankbaar erkend.
References
- Lu, X. -. J., Olson, W. K. 3DNA: a software package for the analysis, rebuilding, and visualization of three-dimensional nucleic acid structures. Nucleic Acids Res. 31, 5108-5121 (2003).
- Lu, X. -. J., Olson, W. K. 3DNA: a versatile, integrated software system for the analysis, rebuilding, and visualization of three-dimensional nucleic-acid structures. Nature Protocols. 3, 1213-1227 (2008).
- Zheng, G., Lu, X. -. J., Olson, W. K. Web 3DNA-a web server for the analysis, reconstruction, and visualization of three-dimensional nucleic-acid structures. Nucleic Acids. Res. 37, W240-W246 (2009).
- Xin, Y., Olson, W. K. BPS: a database of RNA base-pair structures. Nucleic Acids Res. 37, D83-D88 (2009).
- Zheng, G., Colasanti, A. V., Lu, X. -. J., Olson, W. K. 3DNALandscapes: a database for exploring the conformational features of DNA. Nucleic Acids Res. 38, 267-274 (2010).
- Tolstorukov, M. Y., Colasanti, A. V., McCandlish, D., Olson, W. K., Zhurkin, V. B. A novel ‘roll-and-slide’ mechanism of DNA folding in chromatin. Implications for nucleosome positioning. J. Mol. Biol. 371, 725-738 (2007).
- Lu, X. -. J., Olson, W. K., Bussemaker, H. J. The RNA backbone plays a crucial role in mediating the intrinsic stability of the GpU dinucleotide platform and the GpUpA/GpA miniduplex. Nucleic Acids Res. 38, 4868-4876 (2010).
- Mouw, K. W., Rice, P. A. Shaping the Borrelia burgdorferi genome: crystal structure and binding properties of the DNA-bending protein Hbb. Mol. Microbiol. 63, 1319-1339 (2007).
- Burgdorfer, W., Barbour, A. G., Hayes, S. F., Benach, J. L., Grunwaldt, E., Davis, J. P. Lyme disease-a tick-borne spirochetosis?. Science. 216, 1317-1319 (1982).
- Benach, J. L., Bosler, E. M., Hanrahan, J. P., Coleman, J. L., Habicht, G. S., Bast, T. F., Cameron, D. J., Ziegler, J. L., Barbour, A. G. Spirochetes isolated from the blood of two patients with Lyme disease. N. Engl. J. Med. 308, 740-742 (1983).
- Lankaš, F., Špačková, N., Moakher, M., Enkhbayar, P., Šponer, J. A measure of bending in nucleic acids structures applied to A-tract DNA. Nucleic Acids Res. 38, 3414-3422 (2010).
- Romanuka, J., Folkers, G. E., Biris, N., Tishchenko, E., Wienk, H., Bonvin, A. M. J. J., Kaptein, R., Boelens, R. Specificity and affinity of Lac repressor for the auxiliary operators O2 and O3 are explained by the structures of their protein-DNA complexes. J. Mol. Biol. 390, 478-489 (2009).
- Berman, H. M., Westbrook, J., Feng, Z., Gilliland, G., Weissig, H., Shindyalov, I. N., Bourne, P. E. The Protein Data Bank. Nucleic Acids. Res. 28, 235-242 (2000).
- Joint, I. U. P. A. C. -. I. U. B. Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN) Abbreviations and symbols for the description of conformations of polynucleotide chains. Eur. J. Biochem. 131, 9-15 (1983).
- Altona, C., Sundaralingam, M. Conformational analysis of the sugar ring in nucleosides and nucleotides. A new description using the concept of pseudorotation. J. Am. Chem. Soc. 94, 8205-8212 (1972).
- Dickerson, R. E., Bansal, M., Calladine, C. R., Diekmann, S., Hunter, W. N., Kennard, O., von Kitzing, E., Lavery, R., Nelson, H. C. M., Olson, W. K., et al. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters. J. Mol. Biol. 205, 787-791 (1989).
- Olson, W. K., Bansal, M., Burley, S. K., Dickerson, R. E., Gerstein, M., Harvey, S. C., Heinemann, U., Lu, X. -. J., Neidle, S., Shakked, Z., et al. A standard reference frame for the description of nucleic acid base-pair geometry. J. Mol. Biol. 313, 229-237 (2001).
- Lavery, R., Moakher, M., Maddocks, J. H., Petkeviciute, D., Zakrzewska, K. Conformational analysis of nucleic acids revisited: Curves+. Nucleic Acids Res. 37, 5917-5929 (2009).
- Franklin, R. E., Gosling, R. G. Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature. 171, 740-741 (1953).
- Watson, J. D., Crick, F. H. C. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964-967 (1953).
- Marvin, D. A., Spencer, M., Wilkins, M. H. F., Hamilton, L. D. A new configuration of deoxyribonucleic acid. Nature. 182, 387-388 (1958).
- Berman, H. M., Olson, W. K., Beveridge, D. L., Westbrook, J., Gelbin, A., Demeny, T., Hsieh, S. -. H., Srinivasan, A. R., Schneider, B. The Nucleic Acid Database: a comprehensive relational database of three-dimensional structures of nucleic acids. Biophys. J. 63, 751-759 (1992).
- Stella, S., Cascio, D., Johnson, R. C. The shape of the DNA minor groove directs binding by the DNA-bending protein Fis. Genes Dev. 24, 814-826 (2010).
- Swigon, D., Coleman, B. D., Olson, W. K. Modeling the Lac repressor-operator assembly: the influence of DNA looping on Lac repressor conformation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 9879-9884 (2006).
- Czapla, L., Swigon, D., Olson, W. K. Effects of the nucleoid protein HU on the structure, flexibility, and ring-closure properties of DNA deduced from Monte-Carlo simulations. J. Mol. Biol. 382, 353-370 (2008).
- Czapla, L., Peters, J. P., Rueter, E. M., Olson, W. K., Maher, L. J. Understanding apparent DNA flexibility enhancement by HU and HMGB proteins: experiment and simulation. J. Mol. Biol. 409, 278-289 (2011).
- Auffinger, P., Hashem, Y. SwS: a solvation web service for nucleic acids. Bioinformatics. 23, 1035-1037 (2007).
- Dror, O., Nussinov, R., Wolfson, H. J. The ARTS web server for aligning RNA tertiary structures. Nucleic Acids Res. 34, 412-415 (2006).
- Dixit, S. B., Beveridge, D. L. Structural bioinformatics of DNA: a web-based tool for the analysis of molecular dynamics results and structure prediction. Bioinformatics. 22, 1007-1009 (2006).
- de Vries, S. J., van Dijk, M., Bonvin, A. M. The HADDOCK web server for data-driven biomolecular docking. Nat. Protoc. 5, 883-897 (2010).
- Capriotti, E., Marti-Renom, M. A. SARA: a server for function annotation of RNA structures. Nucleic Acids Res. 37, 260-265 (2009).
- van Dijk, M., Bonvin, A. M. 3D-DART: a DNA structure modelling server. Nucleic Acids Res. 37, W235-W239 (2009).
- Contreras-Moreira, B. 3D-footprint: a database for the structural analysis of protein-DNA complexes. Nucleic Acids Res. 38, D91-D97 (2010).
- Popenda, M., Szachniuk, M., Blazewicz, M., Wasik, S., Burke, E. K., Blazewicz, J., Adamiak, R. W. RNA FRABASE 2.0: an advanced web-accessible database with the capacity to search the three-dimensional fragments within RNA structures. BMC Bioinformatics. 11, 231 (2010).
- Čech, P., Svozil, D., Hoksza, D. SETTER: web server for RNA structure comparison. Nucleic Acids Res. , (2012).
