3DNAを有する核酸構造の分析と構築
Summary
3DNAソフトウェアパッケージは、解析構成し、三次元の核酸構造を可視化する機能を備えた人気があり、汎用性の高いバイオインフォマティクスツールである。この記事では、個々の構造と関連構造のアンサンブルの両方に適用3DNAで利用可能な新しい、人気の機能のサブセットのための詳細なプロトコルを提示します。
Abstract
3DNAソフトウェアパッケージは、解析構成し、三次元の核酸構造を可視化する機能を備えた人気があり、汎用性の高いバイオインフォマティクスツールである。この記事では、個々の構造と関連構造のアンサンブルの両方に適用3DNAで利用可能な新しい、人気の機能のサブセットのための詳細なプロトコルを提示します。プロトコル1は、ソフトウェアをダウンロードしてインストールするために必要な一連の命令を示しています。これは、塩基対の割り当てと、原子の再構成の記載により、プロトコル3で、構造を記述し、剛体パラメータの決定を含む核酸構造の分析により、プロトコール2において、続くその剛体パラメータから構造のモデル。 3DNAの最新バージョンは、2.1バージョンでは、このような核磁気共鳴（NMR）測定と分子動力学（MDから推定されるような構造のアンサンブルの分析と操作のための新しい機能を持っています）シミュレーション、これらの機能はプロトコル4と5に示されている。 3DNAスタンドアロンのソフトウェアパッケージに加えて、に位置w3DNA Webサーバ、 http://w3dna.rutgers.eduは 、ソフトウェアの選択された機能へのユーザーフレンドリーなインターフェースを提供します。プロトコル6は、ユーザーが指定した位置に結合したタンパク質で飾られた長いDNA分子のモデルを構築するためのサイトの新規な特徴を示しています。
Introduction
DNA、RNA、およびタンパク質、薬物、及び他のリガンドとの複合体の三次元構造を理解し、それらの多様な生物学的機能を解読するための、および治療の合理的な設計を可能にするために重要である。解析（形状や相互作用のパターンを抽出する）、モデリング（エネルギー論と分子動力学を評価する）、および視覚化：そのような構造の探査には、3つの独立した、まだ密接に関連のコンポーネントを必要とする。構造解析とモデル構築は、本質的に表裏一体であり、可視化は、それらの両方を補完するものです。
コンピュータプログラムの3DNAスイートは、分析し構築し、三次元の核酸構造を可視化する機能を備えた人気が高まって、構造バイオインフォマティクスツールキットです。以前の出版物は、ソフトウェア1の機能を概説し選択したタスク2を実行するためのレシピを提供する、Webベースのインターフェイスを導入しましたソフトウェア3の一般的な機能には、構造的特徴の提示のデータベースが使用して収集 3DNA 4,5およびDNAとRNAの構造6の両方の解析にソフトウェアの有用性を示すように、7。
この記事の目的は、最先端の計算ツールとDNAとRNAの空間組織を調査するために利益および/またはニーズに実験室の科学者や他の人に3DNAソフトウェアキットをもたらすことです。ここで紹介するプロトコルは、構成塩基対のステップのレベルでDNA構造を分析し、修正するためのMac OS Xシステムでは、（II-III）、（上のソフトウェアをダウンロードしてインストールするためのステップバイステップの手順（i）を含むIV-v）を分析し、関連するDNA構造のセットを揃え、および（vi）ユーザーフレンドリーw3DNA Webインターフェイスを持つタンパク質装飾DNAチェーンのモデルを構築しています。ソフトウェアは、個々の構造だけでなく、大型X線結晶学的方法を用いて解く分析する能力を有する核磁気共鳴（NMR）法を用いて測定又はコンピュータシミュレーション技術によって生成された構造のアンサンブル。
構造は、ここで（i）はボレリアブルグドルフェリ 8（ヒト9,10にライム病を引き起こすダニ媒介性細菌）、（ii）の順次の二つの大きなセットからHBBタンパク質に結合したDNAの高分解能結晶構造を含む調べDの4,500スナップショット（GGCAAAATTTTGCC）2およびd（CCGTTTTAAAACGG）2計算中100ピコ秒単位で収集し、O3のDNAオペレーターのNMRベースの構造の（ⅲ）小アンサンブル-分子シミュレーション11で生産関連DNA分子大腸菌 lacリプレッサータンパク質12のヘッドピースにバインドされた。以下の手順では、これらの構造のそれぞれに関連付けられた原子座標のファイルにアクセスするだけでなく、使い方を3DNA（このファイルのコピーが発見された方法に関する情報を含むで3DNAフォーラムhttp://forum.x3dna.org/jove ）これらの構造を調べ、変更することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
この記事で紹介した一連のプロトコルは、プログラムのみの3DNAスイートの能力に触れる。ツールは等、主鎖に沿っ塩基の重なりを測定するために、螺旋フラグメントの空間的な配置を定量化するために、そのようなペアリングが発生する二次構造のコンテキストを決定するために、非標準塩基対を識別するための構造をRNAに適用することができる再構築コマンドは、ユーザが図1を</stro…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは、分子動力学シミュレーションで生成されたDNAの二重らせんの座標を共有するためのイジーŠponerに感謝しています。また、これらの構造をダウンロードの支援のために灘Spackovaを認める。 USPHS研究助成GM34809とGM096889を通してこの仕事のサポートは感謝して承諾されます。
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).
