Analysere og bygningsloven Nukleinsyre Structures med 3DNA

Summary

Den 3DNA programvarepakke er en populær og allsidig bioinformatikk verktøy med evner til å analysere, konstruere og visualisere tredimensjonale nukleinsyre strukturer. Denne artikkelen presenterer detaljerte protokoller for en undergruppe av nye og populære funksjoner som er tilgjengelige i 3DNA, som gjelder for både individuelle strukturer og ensembler av beslektede strukturer.

Abstract

Den 3DNA programvarepakke er en populær og allsidig bioinformatikk verktøy med evner til å analysere, konstruere og visualisere tredimensjonale nukleinsyre strukturer. Denne artikkelen presenterer detaljerte protokoller for en undergruppe av nye og populære funksjoner som er tilgjengelige i 3DNA, som gjelder for både individuelle strukturer og ensembler av beslektede strukturer. Protokoll 1 viser sett med instruksjoner som trengs for å laste ned og installere programvaren. Dette ble fulgt i to protokoll, ved analyse av en nukleinsyre, medregnet de tilordningen av basepar og bestemmelse av stiv-kroppsparametere som beskriver strukturen og, i protokoll 3, ved en beskrivelse av rekonstruksjon av et atom modell av en struktur fra den stive-kroppsparametere. Den nyeste versjonen av 3DNA, versjon 2.1, har nye funksjoner for analyse og manipulering av ensembler av strukturer, slik som de utledes fra kjernemagnetisk resonans (NMR) målinger og molekylær dynamikk (MD) Simuleringer, og disse funksjonene er presentert i protokoll 4 og 5. I tillegg til den 3DNA frittstående programvare pakken, w3DNA web server, som ligger på http://w3dna.rutgers.edu gir et brukervennlig grensesnitt mot utvalgte funksjoner i programvaren. Protokoll 6 viser en ny funksjon i området for å bygge modeller av lange DNA-molekyler dekorert med bundne proteiner på brukerdefinerte steder.

Introduction

Forstå det tredimensjonale strukturer av DNA, RNA, og deres komplekser med proteiner, narkotika og andre ligander, er avgjørende for å tyde deres ulike biologiske funksjoner, og for å la rasjonell utforming av legemiddelselskap. Utforskning av slike strukturer innebærer tre separate, men likevel tett knyttet komponenter: analyse (for å trekke ut mønstre i former og interaksjoner), modellering (for å vurdere energetics og molekylær dynamikk), og visualisering. Strukturell analyse og modellbygging er i hovedsak to sider av samme sak, og visualisering utfyller dem begge.

Den 3DNA suite av dataprogrammer er en stadig mer populær strukturell bioinformatikk verktøykasse med evner til å analysere, konstruere og visualisere tredimensjonale nukleinsyre strukturer. Tidligere publikasjoner skisserte mulighetene i programvaren ^1, forutsatt oppskrifter for å utføre utvalgte oppgaver ^2, introduserte web-basert grensesnitttil populære funksjonene i programvaren ^tre, samlet presentert databaser av strukturelle trekk ved hjelp ^{4 3DNA, 5} og illustrert nytten av programvaren i analysen av både DNA og RNA strukturer ^{seks, syv.}

Målet med denne artikkelen er å bringe 3DNA programvare kit til laboratorium forskere og andre med interesse og / eller behov for å undersøke DNA og RNA romlige organiseringen med state-of-the-art dataverktøy. Protokollene som presenteres her inkluderer trinn-for-trinn-instruksjoner (i) å laste ned og installere programvaren på en Mac OS X-systemet, (ii-iii) å analysere og endre DNA-strukturer på nivå med de konstituerende base-par skritt, ( iv-v) for å analysere og justere sett av beslektede DNA strukturer, og (vi) å konstruere modeller av protein-dekorert DNA-kjeder med den brukervennlige w3DNA webgrensesnitt. Programvaren har evnen til å analysere de enkelte strukturer løst ved hjelp av røntgen-krystallografiske metoder samt storensembler av strukturer bestemmes med kjernemagnetisk resonans (NMR) metoder eller generert av datamaskinen-simulering teknikker.

Strukturene undersøkt her inkluderer (i) den høyoppløselige krystallstruktur av DNA bundet til HBB protein fra Borrelia burgdorferi ⁸ (tick-borne bakterien som forårsaker Lyme sykdom hos mennesker ^{9, 10),} (ii) to store sett med sekvensielt relaterte DNA-molekyler som produseres med molekylære simuleringer ¹¹ – 4,500 øyeblikksbilder av d (GGCAAAATTTTGCC) ₂ og d (CCGTTTTAAAACGG) ₂ oppsamlet ved 100-psec intervaller i løpet av beregningene, og (iii) en liten ensemble av NMR-baserte strukturer av O3 DNA operatør bundet til headpieces av Escherichia coli Lac repressor protein ^12. Instruksjonene nedenfor inneholder informasjon om hvordan du får tilgang til filene på atom-koordinater knyttet til hver av disse strukturene, samt hvordan man bruker 3DNA (en kopi av denne filen blir funnetpå 3DNA forumet på http://forum.x3dna.org/jove ) for å undersøke og endre disse strukturene.

Protocol

En. Installasjon av Software Package Koble til 3DNA hjemmeside http://x3dna.org og klikk på linken til 3DNA Forum. Innenfor Forum velge 'register' linken og følg instruksjonene for å opprette en ny konto. Følgende instruksjoner detalj installasjon av programvaren på en OS X-basert Macintosh-maskin med en standard 'bash' shell. Prosedyren for Linux eller Windows (Cygwin, MinGW / MSYS) systemer med brukte skjell (inkludert "tcsh …

Representative Results

De 3DNA dataverktøy blir rutinemessig brukt til å analysere nukleinsyre strukturer. For eksempel, er identiteten til basepar og stive-body parametere som karakteriserer arrangementer av baser i dobbel-spiralformede fragmenter av DNA og RNA strukturer automatisk ut og lagres for hver ny oppføring i nukleinsyre Database 22, en verdensomspennende oppbevaringssted for nukleinsyre strukturell informasjon. Verdiene av stiv-kroppsparameter bestemmes med protokoll 2 lett avsløre skjevheter i tredimensjonal strukt…

Discussion

Settet av protokoller som presenteres i denne artikkelen kun berøre mulighetene til 3DNA pakke med programmer. Verktøyene kan brukes til RNA strukturer for å identifisere ikke-kanonisk basepar, for å bestemme de sekundære strukturelle sammenhenger der en slik sammenkobling oppstår, å kvantifisere den romlige fordelingen av skrueformede fragmenter, for å måle overlappingen av baser langs kjeden ryggrad, etc. gjenoppbyggingen kommandoen tillater brukeren å konstruere enkle og informative blokk representasjoner a…