Análisis y construcción de estructuras de ácidos nucleicos con 3DNA
Summary
El paquete de software 3DNA es un popular y versátil herramienta bioinformática con capacidades para analizar, construir y visualizar estructuras de ácidos nucleicos tridimensionales. En este artículo se presenta protocolos detallados para un subconjunto de nuevas y populares características disponibles en 3DNA, aplicables tanto a las estructuras individuales y conjuntos de estructuras relacionadas.
Abstract
El paquete de software 3DNA es un popular y versátil herramienta bioinformática con capacidades para analizar, construir y visualizar estructuras de ácidos nucleicos tridimensionales. En este artículo se presenta protocolos detallados para un subconjunto de nuevas y populares características disponibles en 3DNA, aplicables tanto a las estructuras individuales y conjuntos de estructuras relacionadas. Protocolo 1 muestra el conjunto de instrucciones necesarias para descargar e instalar el software. Esto es seguido, en el Protocolo 2, por el análisis de la estructura del ácido nucleico, incluyendo la asignación de pares de bases y la determinación de los parámetros de cuerpo rígido que describen la estructura y, en el Protocolo 3, por una descripción de la reconstrucción de un atómica modelo de una estructura de sus parámetros de cuerpo rígido. La versión más reciente de 3DNA, versión 2.1, tiene nuevas características para el análisis y la manipulación de los conjuntos de estructuras, tales como los deducidos a partir de mediciones de resonancia magnética nuclear (RMN) y de dinámica molecular (MDSimulaciones); estas características se presentan en los Protocolos 4 y 5. Además del paquete de software independiente 3DNA, el servidor web w3DNA, ubicado en http://w3dna.rutgers.edu , proporciona una interfaz fácil de usar para las funciones seleccionadas del software. Protocolo 6 demuestra una nueva característica del sitio para la construcción de modelos de moléculas de ADN largos decorados con proteínas unidas en lugares especificados por el usuario.
Introduction
La comprensión de las estructuras tridimensionales de ADN, ARN, y sus complejos con proteínas, fármacos y otros ligandos, es crucial para descifrar sus diversas funciones biológicas, y para permitir que el diseño racional de la terapéutica. La exploración de este tipo de estructuras, implica tres componentes separados pero estrechamente relacionados: el análisis (para extraer patrones en formas e interacciones), modelos (para evaluar la energética y las dinámicas moleculares), y la visualización. Análisis estructural y la construcción de modelos son esencialmente dos caras de la misma moneda, y la visualización de complementos de ambos.
La suite 3DNA de programas de ordenador es un cada vez más popular juego de herramientas de bioinformática estructural con capacidades para analizar, construir y visualizar estructuras de ácidos nucleicos tridimensionales. Publicaciones anteriores describen las capacidades del software 1, siempre y recetas para llevar a cabo las tareas seleccionadas 2, introducido la interfaz basada en weba las características populares del software 3, se presentan las bases de datos de características estructurales obtenidos mediante 3DNA 4, 5 y se ilustra la utilidad del software en el análisis de ADN y ARN estructuras 6, 7.
El objetivo de este artículo es traer el kit de software 3DNA a los científicos de laboratorio y otras personas con intereses y / o necesidades para investigar el ADN y el ARN organización espacial con herramientas computacionales estado-of-the-art. Los protocolos presentados aquí incluyen instrucciones paso a paso (i) para descargar e instalar el software en un sistema Mac OS X, (ii-iii) para analizar y modificar las estructuras de ADN a nivel de los pasos de pares de bases que constituyen, ( iv-v) analizar y alinear conjuntos de estructuras de ADN relacionadas, y (vi) para la construcción de modelos de cadenas de ADN en proteínas condecorados con la interfaz web fácil de usar w3DNA. El software tiene la capacidad de analizar las estructuras individuales resolverse utilizando métodos cristalográficos de rayos X, así como granconjuntos de estructuras determinadas con métodos de resonancia magnética nuclear (RMN) o generados por técnicas de simulación por ordenador.
Las estructuras examinadas aquí incluyen (i) la estructura de cristal de alta resolución de ADN unido a la proteína de Borrelia burgdorferi Hbb 8 (la bacteria transmitida por garrapatas que causa la enfermedad de Lyme en seres humanos 9, 10), (ii) dos grandes conjuntos de forma secuencial moléculas de ADN relacionados, producidos con simulaciones moleculares 11 – 4500 instantáneas de d (GGCAAAATTTTGCC) 2 y d (CCGTTTTAAAACGG) 2 recogida en incrementos de 100-PSEC durante los cálculos, y (iii) un pequeño conjunto de estructuras basados en RMN del operador de ADN O3 unido a los cascos de la coli proteína represora Lac Escherichia 12. Las instrucciones incluyen información sobre cómo acceder a los archivos de coordenadas atómicas asociadas con cada una de estas estructuras, así como el uso de 3DNA (se encuentra una copia de este archivoen el foro 3DNA en http://forum.x3dna.org/jove ) para examinar y modificar estas estructuras.
Protocol
Representative Results
Discussion
El conjunto de protocolos que se presentan en este artículo sólo afectan a las capacidades de la suite 3DNA de los programas. Las herramientas se pueden aplicar a estructuras de ARN para identificar pares de bases no canónicos, para determinar los contextos estructurales secundarias en las que se produce tal emparejamiento, para cuantificar la disposición espacial de los fragmentos helicoidales, para medir la superposición de bases a lo largo de la columna vertebral de la cadena, etc El comando de reconstrucción p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Estamos muy agradecidos a Patrocinador Jiří para compartir las coordenadas de dobles hélices de ADN generados en simulaciones de dinámica molecular. También reconocemos Nada Špačková de ayuda en la descarga de estas estructuras. Apoyo de este trabajo a través de becas de investigación USPHS Se agradece GM34809 y GM096889.
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).
