Analysera och bygga nukleinsyrastrukturer med 3DNA
Summary
Den 3DNA programpaket är ett populärt och mångsidigt bioinformatik verktyg med förmåga att analysera, konstruera och visualisera tredimensionella nukleinsyrastrukturer. Den här artikeln presenterar detaljerade protokoll för en delmängd av nya och populära funktioner som finns i 3DNA, gäller både enskilda strukturer och ensembler av relaterade strukturer.
Abstract
Den 3DNA programpaket är ett populärt och mångsidigt bioinformatik verktyg med förmåga att analysera, konstruera och visualisera tredimensionella nukleinsyrastrukturer. Den här artikeln presenterar detaljerade protokoll för en delmängd av nya och populära funktioner som finns i 3DNA, gäller både enskilda strukturer och ensembler av relaterade strukturer. Protokoll 1 listar uppsättning instruktioner som behövs för att hämta och installera programvaran. Detta följs, i protokoll nr 2, genom analys av en nukleinsyra struktur, inklusive tilldelning av baspar och bestämning av stela kroppens parametrar som beskriver strukturen och i protokoll 3, med en beskrivning av återuppbyggnaden av en atom modell av en struktur från dess styv-kroppsparametrar. Den senaste versionen av 3DNA, version 2.1, har nya funktioner för analys och manipulation av ensembler av strukturer, såsom de härledda från kärnmagnetisk resonans (NMR) mätningar och molekylär dynamik (MD) Simuleringar, dessa funktioner presenteras i protokollen 4 och 5. Förutom den 3DNA fristående programpaket, den w3DNA webbserver, belägen vid http://w3dna.rutgers.edu ger, ett användarvänligt gränssnitt till utvalda funktioner i programvaran. Protokoll 6 visar en ny egenskap hos tomten för att bygga modeller av långa DNA-molekyler dekorerade med bundna proteiner vid användardefinierade lägen.
Introduction
Att förstå de tre-dimensionella strukturer av DNA, RNA och deras komplex med proteiner, läkemedel och andra ligander, är avgörande för att dechiffrera deras olika biologiska funktioner, och för att tillåta rationell design av terapi. Utforskning av sådana strukturer innebär tre separata, men ändå nära besläktade delar: analys (för att extrahera mönster i former och interaktion), modellering (att bedöma energetik och molekylära dynamik), och visualisering. Strukturell analys och modellbygge är i huvudsak två sidor av samma mynt, och visualisering kompletterar dem båda.
Den 3DNA svit av datorprogram är ett allt populärare strukturell bioinformatik verktygslåda med förmåga att analysera, konstruera och visualisera tredimensionella nukleinsyrastrukturer. Tidigare publikationer beskrivs funktionerna i programvaran 1, förutsatt recept för att utföra vissa uppgifter 2, införde det webbaserade gränssnittettill populära funktioner i programvaran 3, samlas presenterade databaser av strukturella drag med 3DNA 4, 5 och illustreras användbarheten av programvaran i analysen av både DNA och RNA-strukturer 6, 7.
Målet med denna artikel är att bringa 3DNA program kit till laboratorium forskare och andra med intresse och / eller behov för att undersöka DNA och RNA rumslig organisation med state-of-the-art beräkningsverktyg. De protokoll som presenteras här omfattar steg-för-steg-instruktioner (i) att ladda ner och installera programmet på en Mac OS X-system, (ii-iii) att analysera och modifiera DNA-strukturer på samma nivå som de ingående baspar steg, ( IV-V) för att analysera och anpassa uppsättningar av relaterade DNA-strukturer, och (vi) att konstruera modeller av protein-inredda DNA-kedjor med användarvänliga w3DNA webbgränssnitt. Programvaran har förmågan att analysera enskilda strukturer lösas med röntgenkristallografisk metoder samt storaensembler av strukturer bestämda med kärnmagnetisk resonans (NMR) metoder eller med hjälp av dator-simuleringsteknik.
Strukturerna undersökts här innefattar (i) den högupplösta kristallstruktur av DNA bundet till HBB proteinet från Borrelia burgdorferi 8 (den fästingburna bakterien som orsakar Lyme sjukdomen hos människor 9, 10), (ii) två stora uppsättningar av sekventiellt relaterade DNA-molekyler som produceras med molekylära simuleringar 11 – 4500 ögonblicksbilder av d (GGCAAAATTTTGCC) 2 och d (CCGTTTTAAAACGG) 2 uppsamlades vid 100-Psec inkrement under beräkningarna, och (iii) en liten ensemble av NMR-baserade strukturer av O3 DNA operatören bundna till överstycken i Escherichia coli Lac repressorprotein 12. Instruktionerna nedan innehåller information om hur man kommer åt filerna på atomkoordinater associerade med var och en av dessa strukturer samt hur man använder 3DNA (en kopia av denna fil hittaspå 3DNA forumet på http://forum.x3dna.org/jove ) att granska och ändra dessa strukturer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den uppsättning protokoll presenteras i denna artikel endast vidröra på funktionerna i det 3DNA svit av program. Verktygen kan tillämpas på RNA-strukturer för att identifiera icke-kanoniska baspar, för att bestämma de sekundära strukturella sammanhang där sådan parning sker, för att kvantifiera den rumsliga dispositionen av spiralformade fragment, för att mäta överlappningen av baser längs kedjan ryggraden etc. Ombyggnaden Kommandot tillåter användaren att konstruera enkla och informativa blockera repr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma för Jiří Sponsor för delning av koordinaterna för DNA dubbla spiraler genereras i molekyldynamiksimuleringar. Vi erkänner också Nada Spackova för hjälp med att ladda ned dessa strukturer. Stöd för detta arbete genom USPHS forskningsbidrag GM34809 och GM096889 är tacksamt erkänns.
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).
