تحليل وبناء هياكل الحمض النووي مع 3DNA
Summary
حزمة البرامج 3DNA هو أداة المعلوماتية الحيوية الشعبية وتنوعا مع قدرات لتحليل وبناء وتصور هياكل الحمض النووي ثلاثي الأبعاد. تقدم هذه المقالة بروتوكولات وإجراءات تفصيلية لمجموعة فرعية من الميزات الجديدة وشعبية المتاحة في 3DNA، التي تنطبق على كل الهياكل الفردية ومجموعات من الهياكل ذات الصلة.
Abstract
حزمة البرامج 3DNA هو أداة المعلوماتية الحيوية الشعبية وتنوعا مع قدرات لتحليل وبناء وتصور هياكل الحمض النووي ثلاثي الأبعاد. تقدم هذه المقالة بروتوكولات وإجراءات تفصيلية لمجموعة فرعية من الميزات الجديدة وشعبية المتاحة في 3DNA، التي تنطبق على كل الهياكل الفردية ومجموعات من الهياكل ذات الصلة. بروتوكول 1 يسرد مجموعة من التعليمات اللازمة لتحميل وتثبيت البرنامج. ويتبع هذا، في بروتوكول 2، من خلال تحليل بنية الحمض النووي، بما في ذلك التنازل عن أزواج قاعدة وتحديد المعلمات جامدة الجسم التي تصف بنية و، في بروتوكول 3، وصفا لإعادة إعمار لذرية نموذج لهيكل من معالمها جامدة للجسم. أحدث إصدار من 3DNA، الإصدار 2.1، ميزات جديدة لتحليل والتلاعب في مجموعات من الهياكل، مثل تلك استنتاجها من صدى (NMR) القياسات المغناطيسية النووية والجزيئية الحيوية (MD) المحاكاة؛ يتم عرض هذه الميزات في بروتوكولات 4 و 5. بالإضافة إلى حزمة برامج قائمة بذاتها 3DNA، خادم الويب w3DNA، وتقع في http://w3dna.rutgers.edu ، يوفر واجهة سهلة الاستخدام لميزات مختارة من البرنامج. بروتوكول 6 يوضح ميزة الرواية من الموقع لبناء نماذج من جزيئات الحمض النووي طويلة مزينة بروتينات محددة في مواقع المحددة من قبل المستخدم.
Introduction
فهم هياكل ثلاثية الأبعاد من الحمض النووي، والجيش الملكي النيبالي، والمجمعات الخاصة بهم مع البروتينات، والمخدرات، وبروابط أخرى، أمر بالغ الأهمية من أجل فك رموز الوظائف البيولوجية المتنوعة،، والسماح التصميم الرشيد للمداواة. استكشاف مثل هذه الهياكل يستلزم ثلاثة منفصلة، والمكونات حتى الآن يرتبط ارتباطا وثيقا: تحليل (لاستخراج أنماط في الأشكال والتفاعلات)، والنمذجة (لتقييم علم الطاقة والديناميات الجزيئية)، والتصور. التحليل الهيكلي وبناء النموذج هي في الأساس وجهان لعملة واحدة، والتصور يكمل كل منهما.
جناح 3DNA برامج الكمبيوتر هو شعبية متزايدة الهيكلية المعلوماتية الحيوية أدوات مع قدرات لتحليل وبناء وتصور هياكل الحمض النووي ثلاثي الأبعاد. أوجز المنشورات في وقت سابق قدرات البرنامج 1، شريطة وصفات لأداء المهام المحددة 2، عرض واجهة على شبكة الإنترنتإلى ميزات شعبية من البرنامج 3، جمعت قواعد البيانات المقدمة من السمات الهيكلية باستخدام 3DNA 4 و 5 و يتضح مدى فائدة البرنامج في تحليل كل من الحمض النووي RNA والهياكل 6، 7.
الهدف من هذه المقالة هو لتحقيق عدة برامج 3DNA لعلماء المختبرات وغيرهم من ذوي المصالح و / أو احتياجات للتحقيق في الحمض النووي RNA والتنظيم المكاني مع الأدوات الحسابية للدولة من بين الفن. البروتوكولات المعروضة هنا تشمل إرشادات خطوة بخطوة (ط) لتحميل وتثبيت البرنامج على نظام التشغيل Mac OS X نظام، (II-III) لتحليل وتعديل هياكل الحمض النووي على مستوى الخطوات قاعدة بين زوج التأسيسية، ( IV-V) لتحليل ومحاذاة مجموعات من الهياكل الحمض النووي ذات الصلة، و (السادس) لبناء نماذج من سلاسل الحمض النووي البروتين مزينة سهلة الاستخدام w3DNA اجهة ويب. البرنامج لديه القدرة على تحليل الهياكل الفردية حلها باستخدام طرق البلورات بالأشعة السينية، فضلا عن كبيرمجموعات من الهياكل مصممة مع (NMR) طرق الرنين المغناطيسي النووي أو التي تم إنشاؤها بواسطة تقنيات الكمبيوتر المحاكاة.
الهياكل درست هنا تشمل (ط) هيكل الكريستال عالية الدقة من الحمض النووي ملزمة للبروتين سداسي البروم ثنائي الفينيل من burgdorferi البورلية 8 (البكتيريا التي تنتقل عن طريق القراد التي تسبب مرض لايم في البشر 9، 10)، (الثاني) اثنين من مجموعات كبيرة من بالتتابع جزيئات الحمض النووي ذات الصلة المنتجة مع المحاكاة الجزيئية 11 – لقطات من 4،500 د (GGCAAAATTTTGCC) 2 د (CCGTTTTAAAACGG) 2 التي تم جمعها في زيادات 100-psec خلال العمليات الحسابية، و (الثالث) فرقة صغيرة من الهياكل القائمة على NMR من المشغل DNA O3 منضمة إلى أغطية الرأس من الإشريكية القولونية لاك قامع البروتين 12. وتشمل الإرشادات أدناه معلومات عن كيفية الوصول إلى الملفات من إحداثيات الذرية المرتبطة بكل من هذه الهياكل وكذلك كيفية استخدام 3DNA (تم العثور على نسخة من هذا الملفعلى المنتدى 3DNA في http://forum.x3dna.org/jove ) لدراسة وتعديل هذه الهياكل.
Protocol
Representative Results
Discussion
مجموعة من البروتوكولات المقدمة في هذه المقالة تلمس فقط على قدرات الجناح 3DNA من البرامج. ويمكن تطبيق الأدوات اللازمة لهياكل الحمض النووي الريبي لتحديد أزواج قاعدة غير متعارف عليه، لتحديد سياقات الهيكلية الثانوية التي يحدث فيها مثل هذا الاقتران، لقياس التصرف المكاني?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن ممتنون للكفيل جيري لتقاسم إحداثيات اللوالب مزدوج DNA ولدت في ديناميات المحاكاة الجزيئية. ونحن نعترف أيضا ندى Spackova للمساعدة في تحميل هذه الهياكل. دعما لهذا العمل من خلال منح البحوث USPHS ومن المسلم به بامتنان GM34809 GM096889 و.
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).
