Analisi e costruzione di strutture acidi nucleici con 3DNA
Summary
Il pacchetto software 3DNA è un popolare e versatile strumento di bioinformatica con capacità di analizzare, costruire, e visualizzare le strutture di acidi nucleici tridimensionali. Questo articolo presenta i protocolli dettagliati per un sottoinsieme di nuove e popolari funzionalità disponibili in 3DNA, applicabili ad entrambe le singole strutture e insiemi di strutture correlate.
Abstract
Il pacchetto software 3DNA è un popolare e versatile strumento di bioinformatica con capacità di analizzare, costruire, e visualizzare le strutture di acidi nucleici tridimensionali. Questo articolo presenta i protocolli dettagliati per un sottoinsieme di nuove e popolari funzionalità disponibili in 3DNA, applicabili ad entrambe le singole strutture e insiemi di strutture correlate. Protocollo 1 elenca la serie di istruzioni necessarie per scaricare e installare il software. Questo è seguito, nel protocollo 2, dall'analisi di struttura di acido nucleico, compreso l'inserimento di coppie di basi e la determinazione dei parametri di corpo rigido che descrivono la struttura e, nel protocollo 3, da una descrizione della ricostruzione di un atomico modello di una struttura da suoi parametri del corpo rigido. La versione più recente di 3DNA, versione 2.1, presenta nuove funzionalità per l'analisi e la manipolazione di insiemi di strutture, come quelle dedotte da Resonance (NMR) misure magnetiche nucleari e dinamica molecolare (MDSimulazioni); queste caratteristiche sono presentati in protocolli 4 e 5. In aggiunta al pacchetto software stand-alone 3DNA, il server web w3DNA, situato a http://w3dna.rutgers.edu , fornisce un'interfaccia user-friendly per le caratteristiche selezionate del software. Protocollo 6 viene illustrata una funzionalità romanzo del sito per la costruzione di modelli di lunghe molecole di DNA decorate con proteine legate alle posizioni specificate dall'utente.
Introduction
Comprendere le strutture tridimensionali di DNA, RNA e loro complessi con proteine, farmaci e altri ligandi, è cruciale per decifrare le loro diverse funzioni biologiche, e per permettere la progettazione razionale di terapeutica. Esplorazione di tali strutture comporta tre componenti separati, ma strettamente connessi: analisi (per estrarre i modelli in forme e interazioni), modelli (per la valutazione energetica e dinamica molecolare), e visualizzazione. Analisi strutturale e la costruzione del modello sono essenzialmente due facce della stessa medaglia, e la visualizzazione complementi entrambi.
La suite 3DNA dei programmi del computer è sempre più popolare toolkit bioinformatica strutturale con capacità di analizzare, costruire, e visualizzare le strutture di acidi nucleici tridimensionali. Precedenti pubblicazioni illustrate le funzionalità del software 1, a condizione che le ricette di svolgere attività selezionate 2, ha introdotto l'interfaccia web-baseda caratteristiche popolari del software 3, banche dati presentati di caratteristiche strutturali raccolti utilizzando 3DNA 4, 5 e illustrata l'utilità del software nella analisi sia DNA e strutture di RNA 6, 7.
L'obiettivo di questo articolo è quello di portare il kit software 3DNA di scienziati di laboratorio e altri con interessi e / o necessità di indagare il DNA e l'RNA organizzazione spaziale con strumenti di calcolo state-of-the-art. I protocolli presentati qui sono le istruzioni passo-passo (i) per scaricare e installare il software su un sistema Mac OS X, (ii-iii) analizzare e modificare le strutture del DNA a livello del componente passaggi di base-pair, ( iv-v) per analizzare e allineare insiemi di strutture relative al DNA, e (vi) per la costruzione di modelli di catene di DNA proteina-decorato con l'intuitiva interfaccia web w3DNA. Il software ha la capacità di analizzare singole strutture risolti utilizzando metodi cristallografici a raggi X e grandiinsiemi di strutture determinate con metodi di risonanza magnetica nucleare (NMR) o generati mediante tecniche di simulazione al computer.
Le strutture qui esaminate comprendono (i) la struttura cristallina ad alta risoluzione di DNA legato alla proteina Hbb da Borrelia burgdorferi 8 (il batterio zecche che causa la malattia di Lyme negli esseri umani 9, 10), (ii) due grandi insiemi di sequenza molecole correlate DNA prodotte con simulazioni molecolari 11 – 4.500 istantanee di d (GGCAAAATTTTGCC) 2 e d (CCGTTTTAAAACGG) 2 raccolti a incrementi di 100 PSEC durante i calcoli, e (iii) un piccolo ensemble di strutture NMR basati dell'operatore DNA O3 legato alle testate del Escherichia coli Lac repressore proteico 12. Le istruzioni riportate di seguito includono informazioni su come accedere ai file di coordinate atomiche associate a ciascuna di queste strutture, nonché come utilizzare 3DNA (una copia di questo file viene trovatosul forum 3DNA a http://forum.x3dna.org/jove ) per esaminare e modificare queste strutture.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'insieme dei protocolli presentati in questo articolo toccare solo dalle capacità della suite 3DNA dei programmi. Gli strumenti possono essere applicati a RNA strutture per identificare coppie di basi non canonici, per determinare i contesti strutturali secondari in cui si verifica tale accoppiamento, per quantificare la disposizione spaziale dei frammenti elicoidali, per misurare la sovrapposizione delle basi lungo la catena dorsale, ecc Il comando ricostruzione permette all'utente di costruire rappresentazio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Siamo grati a Sponer Jiří per condividere le coordinate di doppie eliche di DNA generati in simulazioni di dinamica molecolare. Riconosciamo anche Nada Špačková per l'assistenza nel download di queste strutture. Sostegno di questo lavoro attraverso USPHS Assegni di ricerca GM34809 e GM096889 Si ringrazia.
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).
