D'analyser et de structures d'acides nucléiques avec 3DNA
Summary
Le logiciel 3DNA est un outil bioinformatique populaire et polyvalent avec des capacités à analyser, construire et visualiser des structures d'acides nucléiques en trois dimensions. Cet article présente des protocoles détaillés pour un sous-ensemble de fonctionnalités nouvelles et populaires disponibles dans 3DNA, applicables aux deux structures individuelles et des ensembles de structures connexes.
Abstract
Le logiciel 3DNA est un outil bioinformatique populaire et polyvalent avec des capacités à analyser, construire et visualiser des structures d'acides nucléiques en trois dimensions. Cet article présente des protocoles détaillés pour un sous-ensemble de fonctionnalités nouvelles et populaires disponibles dans 3DNA, applicables aux deux structures individuelles et des ensembles de structures connexes. Protocole 1 répertorie l'ensemble des instructions nécessaires pour télécharger et installer le logiciel. Elle est suivie, dans le protocole 2, par l'analyse de la structure des acides nucléiques, y compris l'attribution de paires de bases et la détermination des paramètres de corps rigides qui décrivent la structure et, dans le protocole 3, par une description de la reconstruction d'un atome modèle d'une structure à partir de ses paramètres de corps rigides. La version la plus récente de 3DNA, version 2.1, comporte de nouvelles fonctionnalités pour l'analyse et la manipulation d'ensembles de structures, tels que ceux déduits de résonance magnétique nucléaire mesures (RMN) et la dynamique moléculaire (MDSimulations); ces caractéristiques sont présentées dans les protocoles 4 et 5. En plus du progiciel autonome 3DNA, le serveur Web w3DNA, situé à http://w3dna.rutgers.edu , fournit une interface conviviale pour les fonctions sélectionnées du logiciel. Protocole n ° 6 montre une nouvelle fonctionnalité du site pour construire des modèles de molécules d'ADN longues ornées de protéines liées à des endroits spécifiés par l'utilisateur.
Introduction
Comprendre les structures tridimensionnelles de l'ADN, l'ARN et leurs complexes avec des protéines, des médicaments et d'autres ligands, est essentielle pour déchiffrer leurs fonctions biologiques différentes, et pour permettre la conception rationnelle de médicaments. Exploration de ces structures comporte trois composantes distinctes, mais étroitement liés: l'analyse (pour extraire des motifs dans les formes et les interactions), la modélisation (pour évaluer l'énergétique et la dynamique moléculaire) et la visualisation. Analyse structurale et la construction de modèles sont essentiellement deux faces d'une même pièce de monnaie, et la visualisation des compléments deux d'entre eux.
La suite 3DNA des programmes d'ordinateur est une boîte à outils bioinformatique structurale de plus en plus populaire avec des capacités à analyser, construire et visualiser des structures d'acides nucléiques en trois dimensions. Publications antérieures ont décrit les capacités du logiciel 1, à condition que les recettes d'effectuer des tâches sélectionnées 2, introduit l'interface basée sur le Webà des fonctions populaires du logiciel 3, bases de données présentées de caractéristiques structurelles recueillies à l'aide 3DNA 4, 5 et illustré l'utilité du logiciel dans l'analyse de l'ADN et l'ARN structures 6, 7.
Le but de cet article est de mettre le kit de logiciel 3DNA aux scientifiques de laboratoire et d'autres qui ont des intérêts et / ou des besoins d'enquêter sur l'ADN et l'ARN organisation spatiale avec des outils informatiques state-of-the-art. Les protocoles présentés ici comprennent des instructions étape-par-étape (i) pour télécharger et installer le logiciel sur un système Mac OS X, (ii-iii) d'analyser et de modifier les structures de l'ADN au niveau des étapes de paires de bases constitutives ( iv-v) d'analyser et d'aligner des séries de structures d'ADN apparentées, et (vi) pour construire des modèles de chaînes d'ADN en protéines décoré de l'interface web conviviale w3DNA. Le logiciel a la capacité d'analyser des structures individuelles résolus en utilisant des méthodes de cristallographie aux rayons X ainsi que de grandesdes ensembles de structures déterminées par des méthodes résonance magnétique nucléaire (RMN) ou produite par des techniques de simulation sur ordinateur.
Les structures examinées ici figurent (i) la structure cristalline à haute résolution de l'ADN lié à la protéine Hbb de Borrelia burgdorferi 8 (la bactérie transmise par les tiques qui cause la maladie de Lyme chez les humains 9, 10), (ii) deux grands ensembles de manière séquentielle molécules d'ADN apparentées produites par des simulations moléculaires 11 – 4500 instantanés de D (GGCAAAATTTTGCC) 2 et d (CCGTTTTAAAACGG) 2 collectées à des incréments de 100 ps pendant les calculs, et (iii) d'un petit ensemble de structures de l'opérateur de l'ADN O3 RMN à base lié aux coiffes de l'Escherichia coli Lac répresseur protéique 12. Les instructions ci-dessous contiennent des informations sur la façon d'accéder aux fichiers de coordonnées atomiques associés à chacune de ces structures ainsi que la façon d'utiliser 3DNA (une copie de ce fichier se trouvesur le forum 3DNA à http://forum.x3dna.org/jove ) pour examiner et modifier ces structures.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'ensemble des protocoles présentés dans cet article ne touche pas les possibilités offertes par la suite 3DNA des programmes. Les outils peuvent être appliqués à l'ARN des structures à identifier des paires de bases non canoniques, afin de déterminer les contextes de structure secondaire dans lequel une telle appariement se produit, afin de quantifier la disposition spatiale des fragments hélicoïdaux, pour mesurer le recouvrement de base le long du squelette de la chaîne, etc La commande de reconstru…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants à Sponer Jiří pour partager les coordonnées des doubles hélices d'ADN générés dans des simulations de dynamique moléculaire. Nous reconnaissons également Nada Spackova de l'aide pour le téléchargement de ces structures. Appui de ces travaux par le biais de subventions de recherche USPHS GM34809 et GM096889 est grandement appréciée.
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).
