Анализ и построение структуры нуклеиновых кислот с 3DNA
Summary
3DNA пакет программного обеспечения является популярным и универсальным биоинформатики с возможностями, анализировать, строить и визуализировать трехмерные структуры нуклеиновых кислот. В данной статье представлены подробные протоколы для подмножества новые и популярные функции, доступные в 3DNA, применимо и к отдельным структурам и ансамбли связанных с ними структур.
Abstract
3DNA пакет программного обеспечения является популярным и универсальным биоинформатики с возможностями, анализировать, строить и визуализировать трехмерные структуры нуклеиновых кислот. В данной статье представлены подробные протоколы для подмножества новые и популярные функции, доступные в 3DNA, применимо и к отдельным структурам и ансамбли связанных с ними структур. Протокол 1 перечислены набор инструкции, необходимые для загрузки и установки программного обеспечения. После этого следует, в Протоколе 2, путем анализа нуклеиновых кислот структуры, включая назначение пар оснований и определение твердого тела параметров, которые описывают структуру и, в Протоколе 3 к описанию реконструкции атомное модель строения от своего твердого тела параметров. Самая последняя версия 3DNA, версия 2.1, добавлены новые функции для анализа и манипулирования ансамблей структур, таких, как вывести из ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и молекулярной динамики (MD) Моделирования; эти особенности представлены в протоколах 4 и 5. В дополнение к 3DNA автономный пакет программного обеспечения, веб-сервер w3DNA, расположенный на http://w3dna.rutgers.edu , предоставляет удобный интерфейс для выбранных функций программного обеспечения. Протокол № 6 демонстрирует роман особенность сайта для построения моделей длинных молекул ДНК украшены связанных белков в указанное пользователем место.
Introduction
Понимание трехмерные структуры ДНК, РНК и их комплексов с белками, наркотиками и другими лигандами, имеет решающее значение для расшифровки их разнообразные биологические функции и на предоставление рационального проектирования терапии. Исследование таких структур влечет за собой три отдельных, но тесно связанных компонентов: анализа (для извлечения моделей в форм и взаимодействия), моделирование (для оценки энергетики и молекулярной динамики), и визуализации. Структурный анализ и построение модели по существу две стороны одной монеты, и визуализация дополняет их обоих.
3DNA набор компьютерных программ становится все более популярным структурным инструментарий биоинформатики с возможностями анализировать, строить и визуализировать трехмерные структуры нуклеиновых кислот. Более ранние публикации, изложенные возможностей программного обеспечения 1, при условии, рецепты для выполнения выбранной задачи 2, представила веб-интерфейсраспространенному особенности программного обеспечения 3, представлены базы данных структурных особенностей собраны с помощью 3DNA 4, 5 и проиллюстрированы полезности программного обеспечения в области анализа и ДНК, и РНК структуры 6, 7.
Целью данной статьи является приведение 3DNA комплект программного обеспечения для лаборатории ученые и другие с интересами и / или потребности исследовать ДНК и РНК пространственной организации с государством в самых современных вычислительных средств. Протоколы, представленные здесь включают шаг за шагом инструкции (I), чтобы загрузить и установить программное обеспечение на Mac OS X системы, (II-III) для анализа и изменения структуры ДНК на уровне учредительного пар оснований шаги, ( IV-V), чтобы проанализировать и согласовать наборы связанных структур ДНК и (VI) для построения моделей белка оформленные цепей ДНК с удобным интерфейсом веб w3DNA. Программное обеспечение имеет возможность анализировать отдельные структуры решены с помощью рентгеновских методов кристаллографических, а также крупныеансамбли структур определяется с ядерным магнитным резонансом (ЯМР) методы или сгенерированного компьютером-моделирования.
Структур рассматриваемых здесь включают (I) с высоким разрешением кристаллической структуры ДНК связаны с Hbb белка из Borrelia Burgdorferi 8 (клещевой бактерия, которая вызывает болезнь Лайма у людей 9, 10), (II) два больших наборов последовательно родственные молекулы ДНК, полученная с молекулярным моделированием 11 – 4500 снимков D (GGCAAAATTTTGCC) 2 и D (CCGTTTTAAAACGG) 2 собраны в 100-пс шагом при расчетах, и (III) небольшой ансамбль ЯМР-структур на основе оператора ДНК O3 связан с заставками из кишечной палочки Lac белок-репрессор 12. Приведенные ниже инструкции включают в себя информацию о том, как получить доступ к файлам атомных координат, связанной с каждой из этих структур, а также как использовать 3DNA (копия Этот файл находитсяна форуме в 3DNA http://forum.x3dna.org/jove ) для проверки и изменения этих структур.
Protocol
Representative Results
Discussion
Набор протоколов, представленных в этой статье, лишь коснуться возможности 3DNA набор программ. Инструменты могут быть применены к РНК структуры идентифицировать неканонические пары оснований, чтобы определить вторичные структурные контексты, в которых такие спаривание происходит, дл…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны Иржи Шпонер для обмена координатами двойных спиралей ДНК генерируется в молекулярной динамики. Мы также признаем, Nada Špačková за помощь в загрузке этих структур. Поддержка этой работы за счет грантов USPHS исследований GM34809 GM096889 и выражает искреннюю признательность.
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).
