Analysieren und Bauen Nukleinsäurestrukturen mit 3DNA
Summary
Die 3DNA Softwarepaket ist eine beliebte und vielseitige Bioinformatik-Tool mit Funktionen zu analysieren, zu konstruieren, zu visualisieren und dreidimensionale Strukturen Nukleinsäure. Dieser Artikel stellt ausführliche Protokolle für eine Teilmenge der neue und beliebte Features, die in 3DNA, für beide einzelnen Strukturen und Ensembles von verwandten Strukturen.
Abstract
Die 3DNA Softwarepaket ist eine beliebte und vielseitige Bioinformatik-Tool mit Funktionen zu analysieren, zu konstruieren, zu visualisieren und dreidimensionale Strukturen Nukleinsäure. Dieser Artikel stellt ausführliche Protokolle für eine Teilmenge der neue und beliebte Features, die in 3DNA, für beide einzelnen Strukturen und Ensembles von verwandten Strukturen. Protokoll Nr. 1 enthält die Reihe von Anweisungen benötigt zum Herunterladen und Installieren der Software. Darauf folgt in Protokoll 2, durch die Analyse eines Nukleinsäure-Struktur, einschließlich der Zuordnung von Basenpaaren und die Bestimmung der Starrkörper-Parametern, die die Struktur zu beschreiben und in Protokoll Nr. 3, gefolgt von einer Beschreibung der Rekonstruktion eines atomaren Modell einer Struktur aus der Starrkörper-Parameter. Die neueste Version von 3DNA, Version 2.1, verfügt über neue Features für die Analyse und Manipulation von Ensembles von Strukturen, wie jene von Kernspinresonanz (NMR)-Messungen und molekularen Dynamik (MD abgeleitet) Simulationen; diese Funktionen sind in den Protokollen 4 und 5 dargestellt. Neben den Stand-Alone-3DNA Softwarepaket, das w3DNA Webserver an folgenden http://w3dna.rutgers.edu bietet eine benutzerfreundliche Schnittstelle auf ausgewählte Funktionen der Software. Protokoll Nr. 6 zeigt ein neues Merkmal der Website für den Bau von Modellen der langen DNA-Molekülen mit Proteinen in benutzerspezifischen Orten eingerichtet.
Introduction
Das Verständnis der dreidimensionalen Strukturen von DNA, RNA und ihre Komplexe mit Proteinen, Drogen und andere Liganden, ist von entscheidender Bedeutung für die Entschlüsselung ihrer vielfältigen biologischen Funktionen, und zum Ermöglichen das rationale Design von Therapeutika. Exploration solcher Strukturen umfasst drei getrennte, aber eng verwandte Komponenten: Analyse (Muster in Formen und Wechselwirkungen extrahieren), Modellierung (zu Energetik und Molekulardynamik beurteilen) und Visualisierung. Statik und Modellbau sind im Wesentlichen zwei Seiten der gleichen Medaille, und Visualisierung ergänzt sie beide.
Die 3DNA Suite von Computerprogrammen ist eine zunehmend beliebte strukturelle Bioinformatik-Toolkit mit Fähigkeiten zu analysieren, zu konstruieren, zu visualisieren und dreidimensionale Strukturen Nukleinsäure. Frühere Veröffentlichungen erläutert die Möglichkeiten der Software 1, sofern Rezepte durchzuführen ausgewählten Aufgaben 2, führte die web-basierte Schnittstellezu beliebten Features der Software 3, gesammelt präsentiert Datenbanken struktureller Merkmale mit 3DNA 4, 5 und veranschaulicht die Nützlichkeit der Software für die Analyse von DNA und RNA-Strukturen 6, 7.
Das Ziel dieses Artikels ist es, die 3DNA Software-Kit zur Labor-Wissenschaftler und andere mit Interessen und / oder Bedürfnisse zu bringen, um DNA-und RNA-räumliche Organisation mit state-of-the-art Computer-Tools untersuchen. Die Protokolle hier vorgestellten Schritt-für-Schritt-Anleitung (i) zum Herunterladen und Installieren der Software auf einem Mac OS X-System, (ii-iii) zu analysieren und zu modifizieren DNA-Strukturen auf der Ebene der konstituierenden Basenpaar-Schritten ( iv-v) zu analysieren und auszurichten Gruppen von verwandten DNA-Strukturen, und (vi) die Modelle von Protein-DNA-Ketten dekoriert mit der benutzerfreundlichen Weboberfläche w3DNA konstruieren. Die Software hat die Fähigkeit, zu analysieren einzelnen Strukturen gelöst mit röntgenkristallographische Methoden sowie großeEnsembles von Strukturen mit Kernspinresonanz (NMR) ermittelt oder die durch Computer-Simulation Techniken.
Die hier untersuchten Strukturen umfassen (i) die hochauflösende Kristallstruktur von DNA gebunden an die HBB Protein aus Borrelia burgdorferi 8 (die von Zecken übertragene Bakterium, dass Lyme-Borreliose verursacht beim Menschen 9, 10), (ii) zwei große Gruppen von sequentiell verwandten DNA-Moleküle mit Molekülsimulationen 11 erzeugt – 4,500 Momentaufnahmen d (GGCAAAATTTTGCC) 2 und d (CCGTTTTAAAACGG) 2 bei 100-ps-Schritten während der Berechnungen gesammelt, und (iii) eine kleine Ensemble NMR-basierte Strukturen der DNA O3 Bediener verpflichtet, den Kopfschmuck des Escherichia coli Lac Repressorprotein 12. Die folgenden Anweisungen enthalten Informationen darüber, wie die Dateien der Atomkoordinaten mit jeder dieser Strukturen sowie wie 3DNA (Eine Kopie dieser Datei gefunden verwenden assoziiert zugreifenauf der 3DNA Forum auf http://forum.x3dna.org/jove ) zu prüfen und ändern diese Strukturen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Satz von Protokollen in diesem Artikel vorgestellt nur von den Fähigkeiten des 3DNA Suite von Programmen zu berühren. Die Werkzeuge angewendet werden, um Strukturen RNA nicht-kanonischen Basenpaaren zu identifizieren, um die sekundären strukturellen Kontexte, in denen eine solche Paarung tritt bestimmen, um die räumliche Anordnung der spiralförmigen Fragmente zu quantifizieren, um die Überlappung von Basen entlang der Kette Rückgrat messen etc. werden Der Umbau Befehl ermöglicht es dem Benutzer, einfach und …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind dankbar für die gemeinsame Nutzung Jiří Sponer die Koordinaten der DNA-Doppelhelix in Molekulardynamik-Simulationen erzeugt. Wir erkennen auch Nada Spackova um Hilfe beim Herunterladen dieser Strukturen. Unterstützung dieser Arbeit durch USPHS Forschungsstipendien GM34809 und GM096889 gedankt.
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).
