21.03.2023, 13:38 ДНК и РНК A- и B-формы ДНК. Структура РНК Структуры A-, B- и Z-ДНК С помощью программы fiber из пакета 3DNA построены следующие структуры: Главная страница Двуцепочечная A-ДНК с последовательностью (GATC)5 Двуцепочечная B-ДНК с последовательностью (GATC)5 Двуцепочечная Z-ДНК с последовательностью (GC)10 Большая и малая бороздки спирали Z-ДНК Расмотрено основание цитозин 3 цепи A молекулы Z-ДНК (PDB ID 1TNE). Границы бороздок в плоскости основания определены линиями, соединяющими соседние по цепи атомы фосфора; положение атомов основания по отношению к бороздкам ДНК определено по направлению вектора от геометрического центра основания к соответствующему атому: В сторону большой бороздки обращены атомы (обозначены на рис.1 красным) [DC]3:A.C2, [DC]3:A.O2 В сторону малой бороздки обращены атомы (обозначены на рис.1 синим) [DC]3:A.N1, [DC]3:A.N3, [DC]3:A.C4, [DC]3:A.N4, [DC]3:A.C5, [DC]3:A.C6 Рис.1 Положение атомов цитозина по отношению к бороздкам в молекуле Z-ДНК (раскраска по положению) Рис.2 Положение цитозина в молекуле Z-ДНК (структура PDB 1TNE, раскраска cpk, выделен фосфатный остов) Замечание: Часто при менее сторогом, практическом определении атомов бороздок в пиримидинах (к которым относится цитозин) не рассматривают атомы N1 и N3, а в пуринах - атомы N1 и N9. Связано это с их неустойчивым положением относительно бороздок в разных структурах и их обычно незначительным вкладом во взаимодействие белков с бороздкой вследствие их экранированности. Параметры двойных спиралей A-, B- и Z-форм ДНК Рассмотрены структуры молекул A-ДНК (PBD ID 3V9D), B-ДНК (PDB ID 1BNA) и Z-ДНК (двуцепочечный (GC)10 олигомер, сгенерированный программой fiber пакета 3DNA): Тип спирали A-форма B-форма Z-форма Правая Правая Левая https://kodomo.fbb.msu.ru/~stepan_puhov/term3/pr2.html 1/6 21.03.2023, 13:38 ДНК и РНК Шаг спирали (Å) 33.09 30.08 43.50 Число оснований на виток 12 10 12 Ширина большой бороздки (Å) 11.21 ([DC]4:B) 17.32 ([DC]3:A) 9.87 ([DC]10:A) Ширина малой бороздки (Å) 14.87 ([DC]9:A) 9.99 ([DC]21:B) 18.30 ([DC]10:A) Комментарий: Предложенный олигомер Z-ДНК (PDB ID 1TNE) оказался слишком коротким для измерения шага витка, поэтому измерение этого параметра и все дальнейшие измерения для Z-ДНК проводились на сгенерированном (GC)10 олигомере. Большой бороздкой считается более глубокая бороздка. Ширина бороздки определялась как минимум длины отрезка, соединяющего атом фосфора выбранного нуклеотида с каким-нибудь атомом фосфора комплементарной цепи и проходящим по поверхности соответствующей бороздки; в случае неоднозначности такого определения, из найденных минимальных по длине отрезков выбиралась длина того отрезка, который меньше остальных отклонялся от продольной оси молекулы. При измерении ширины бороздки от атомов фосфора разных нуклеотидов даже одного типа показатели могут отличаться за счёт неоднородности первичной структуры молекулы, поэтому под каждым измерением ширины бороздки в скобках отмечен нуклеотид, от которого это измерение проводилось. Анализ структуры тРНК С помощью программ пакета 3DNA была проанализирована структура tRNAPro(CGG) бактерии Thermus thermophilus (PDB ID 1H4S): 1. Загруженный pdb-файл 1H4S.pdb (PDBv3.0) был перведён в старый формат pdb 1H4S_old.pdb (PDBv2.3) программой remediator для дальнейшей обработки программами 3DNA. 2. Конвейером find_pair -t 1H4S_old.pdb stdout | analyze были получены файлы 1H4S_old.out, содержащий различную информацию о структуре тРНК, и stacking.pdb, хранящий преобразованные координаты всех динуклеотидных пар. (полученные файлы хранятся в директории ~stepan_puhov/term3/block1/pr2/rnastructure) Торсионные углы нуклеотидов Из раздела "Main chain and chi torsion angles" файла 1H4S_old.out были получены значения торсионных углов спаренных нуклеотидов (приведены значения только для одного из нуклеотидов каждой пары): Strand I base alpha 1 G --2 G 141.6 3 A -54.1 4 G 156.5 5 G 56.0 6 C -65.6 7 U -66.3 8 G -137.7 9 G 140.9 10 t -62.1 11 P -52.9 12 A -127.0 13 C -67.2 14 G -66.8 15 A -63.6 beta 146.0 -174.7 163.8 -150.0 146.7 165.8 177.6 79.1 -141.8 176.5 163.7 -103.9 178.1 174.4 166.5 gamma 56.0 -178.4 53.2 -172.9 51.6 53.8 55.7 173.7 176.1 45.7 50.7 179.0 47.8 51.1 50.4 delta 87.3 80.6 75.6 128.7 84.1 81.9 83.3 88.7 81.0 78.8 78.6 88.8 80.0 82.1 81.7 https://kodomo.fbb.msu.ru/~stepan_puhov/term3/pr2.html epsilon -171.7 -135.9 -166.3 -80.3 -134.3 -154.7 -157.0 -128.9 -129.1 -128.1 -133.3 -147.2 -160.6 -154.4 -152.6 zeta -60.3 -65.9 -97.0 -46.9 -73.1 -73.9 -13.0 -83.0 -79.4 -73.1 -90.2 -70.9 -75.0 -76.4 -72.5 chi -153.6 -172.6 -168.1 -159.4 177.1 -171.9 -153.8 175.6 174.0 -162.6 -149.0 -170.6 -152.9 -156.9 -159.0 2/6 21.03.2023, 13:38 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 G G G G C G C A G G ДНК и РНК -51.3 160.4 -63.6 136.0 -70.2 -59.0 148.9 -71.4 -59.7 -63.4 165.9 -172.1 170.8 -128.9 -179.4 178.1 -155.6 167.8 177.2 -158.5 52.4 179.8 46.7 71.0 46.6 43.9 -174.5 64.3 54.1 46.5 79.1 83.8 78.5 91.6 82.0 78.6 85.0 75.7 87.7 126.7 -162.9 -142.2 -149.7 -153.1 -155.0 -159.5 -141.5 -152.6 -128.7 -173.7 -57.6 -79.0 -76.7 -68.4 -69.3 -73.4 -77.5 -61.5 -87.8 145.9 -167.9 179.1 -163.0 -171.9 -160.6 -154.6 -174.1 -174.0 -150.9 -71.5 Сравнивая эти значения с характерными значениями торсионных углов канонических A- и B-форм ДНК (рис.3), можно увидеть, что угол α практически всегда сильно отклоняется от канонических значений; угол β в половине случаев сильно отклоняется от канонических значений, а в остальных случаях приближен к обоим каноническим значениям; угол γ часто приближен к каноническим значениям; угол δ чаще всего приближен к значению, характерному для A-ДНК; угол ε всегда сильно отклоняется от канонических значений (фактически, близок по модулю, но имеет противоположный знак); угол ζ обычно находится между двумя каноническими значениями; угол χ чаще всего приближен к значению, характерному для A-ДНК. Рис.3 Характерные значения торсионных углов канонических структур ДНК Таким образом, значения большинства торсионных углов, в целом, сильно отличаются от таковых в канонических структурах ДНК. Однако угол δ, определяющий эндо-/экзо-конформацию нуклеотида, как и угол χ, определяющий положение азотистого основания, близки к значениям соотвествующих углов в A-форме ДНК, а угол ζ принимает значения между 2 каноническими (и именно эти 3 угла различаются больше всего в канонических структурах), поэтому можно считать, что структура стеблей тРНК более всего сравнима со структурой A-формы ДНК. Это соответствует общим представлениям о структуре стеблей РНК, визуализации, демонстрирующей правозакрученную спираль с центральной полостью, а также оценке из раздела "Classification of each dinucleotide step in a right-handed nucleic acid structure" файла 1H4S_old.out, где большая часть участков из 2 последовательных пар нуклеотидов определены, как походящие на Aформу ДНК: step 1 GG/CC 2 GA/UC 3 AG/CU 4 GG/UC 5 GC/GU 6 CU/AG 7 UG/CA 8 GG/CC 9 Gt/GC 10 tP/GG 11 PA/UG 12 AC/GU 13 CG/CG 14 GA/UC 15 AG/CU 16 GG/CC Form A A A A A A A --A A A A A https://kodomo.fbb.msu.ru/~stepan_puhov/term3/pr2.html 3/6 21.03.2023, 13:38 17 18 19 20 21 22 23 24 GG/AC GG/CA GC/GC CG/CG GC/GC CA/UG AG/CU GG/CC ДНК и РНК A A A --- Координаты стеблей и стабилизирующие водородные связи В разделе "RMSD of the bases" файла 1H4S_out.pdb представлена таблица спаренных оснований (рис. 4), по ним можно определить стебли, как набор последовательных (по обеим цепям) пар нуклеотидов. Таким образом в структуре данной тРНК были определены 4 классических стебля: Acceptor-stem (4-7; 66-69), D-stem (10-13; 22-25), Anticodon-stem (26-32; 38-44), TψC-stem (49-53; 61-65) (рис.4). Комментарий: Первая пара оснований, входящая в Anticodon-stem, ([A]26 --- [G]44) является неканонической, однако в разделе "Detailed H-bond information" 1H4S_old.pdb указано, что она связана 2 водородными связями нормальной длины, поэтому её можно считать частью стебля. Рис.4 Стебли в таблице спаренных оснований (слева) выделены рамками цвета соответствующих стеблей в 3D-модели канонической структуры тРНК (сверху) Все пары нуклеотидов из таблицы спаренных оснований (рис. 4), не входящие в стебли, можно считать дополнительными стабилизирующими взаимодействиями. Таковых имеется 5: [A]14 --- [U]8, [G]15 --- [C]48, [G]19 --- [C]56, [T]54 --- [G]58, [PSU]55 --- [G]18, − причём из них 2 пары нуклеотидов [G]19 --- [C]56 и [G]18 --- [PSU]55 образуют взаимодействие типа kissing stem-loop между D-loop и TψC-loop. Неканонические пары оснований также обозначены в таблице спаренных оснований (через чёрточки со звёздочками), их всего 6 в молекуле: [G]49 --- [U]65, [T]54 --- [G]58, [PSU]55 --- [G]18, [G]44 --- [A]26, [A]14 --- [U]8, [G]15 --- [C]48. Из раздела "Detailed H-bond information" видно, что последние 2 из этих 6 пар, несмотря на свой нуклеотдный состав, являются неканоническими из-за способа образования водородных связей: пара [A]14 --- [U]8 удерживается связями [A].N7-[U].N3, [A].N6-[U].O2 (вместо [A].N6-[U].O4, [A].N1-[U].N3 для канонической WC-пары A --- U), а пара [G]15 --- [C]48 удерживается связями [G].N1-[C].O2, [G].N2-[C].N3 (вместо [G].N1-[C].N3, [G].N2-[C].O2, [G].O6-[C].N4 для канонической WC-пары G --- C). Стэкинг-взаимодействия https://kodomo.fbb.msu.ru/~stepan_puhov/term3/pr2.html 4/6 21.03.2023, 13:38 ДНК и РНК В разделе "Overlap area ..." файла 1H4S_old.pdb представлена таблица площадей перекрывания пар оснований, следующих друг за другом в таблице спаренных оснований (рис.4 слева) из раздела "RMSD of the bases" (здесь приведена лишь суммарная площадь перекрывания; в скобках − площадь перекрывания без учёта атомов, не входящих в циклы оснований): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 step GG/CC GA/UC AG/CU GG/UC GC/GU CU/AG UG/CA GG/CC Gt/GC tP/GG PA/UG AC/GU CG/CG GA/UC AG/CU GG/CC GG/AC GG/CA GC/GC CG/CG GC/GC CA/UG AG/CU GG/CC sum 4.50( 2.66) 5.12( 3.03) 2.63( 1.41) 2.69( 0.26) 13.11( 7.12) 4.20( 3.26) 4.80( 3.05) 5.83( 2.72) 13.24( 5.01) 13.24( 6.04) 0.00( 0.00) 10.25( 5.81) 4.59( 0.77) 5.87( 3.17) 3.50( 2.55) 4.68( 1.78) 3.82( 1.53) 0.00( 0.00) 11.91( 6.31) 4.83( 1.72) 9.98( 3.44) 6.13( 1.78) 3.86( 1.22) 0.00( 0.00) Поскольку в таблице спаренных оснований нуклеотидные пары, идущие друг за другом, не всегда расположены друг за другом в первичной структуре и поэтому могут находиться вдалеке друг от друга во вторичной структуре, некоторые шаги в таблице площадей перекрывания имеют нулевую площадь − пары просто разделены большим расстоянием в молекуле. Такая ситуация наблюдается на шаге 24, где первая пара обеспечивает стабилизирующее взаимодействие между D-loop и Variable-loop, а вторая − взаимодействие между D-loop и TψC-loop, соответственно эти 2 пары находятся на большом расстоянии друг от друга, и на шаге 11, где первая пара обеспечивает стабилизирующее взаимодействие между TψC-loop и D-loop, а вторая пара является последней парой (ближайшей к петле) в Anticodon-stem, соответственно эти 2 пары не могут находиться поблизости. Более интересной представляется ситуация на шаге 18 ([G]44 --- [A]26, [G]10 --- [C]25) − переходе от D-stem к Anticodon-stem, где нуклеотиды 2 пар идут друг за другом на одной из цепей, но из-за поворота пар перекрывания не происходит (даже между основаниями последовательно идущих нуклеотидов): Лучшее перекрывание следовало бы ожидать между последовательными парами внутри каго-либо стебля, однако, если судить по критерию площади перекрывания с учётом боковых групп циклов азотистых оснований и критерию площади перекрывания без учёта этих боковых групп, то лучшее https://kodomo.fbb.msu.ru/~stepan_puhov/term3/pr2.html 5/6 21.03.2023, 13:38 ДНК и РНК перекрывание получается на шаге 10 ([T]54 --- [G]58, [PSU]55 --- [G]18) − между парой, образующей стабилизирующую пару в TψC-loop, и парой, образущей контакт между TψC-loop и Dloop. Одно из худших перекрываний (худшее по полной площади азотситых оснований, худшее по площади циклов азотистых оснований − на шаге 4) получается на шаге 3 ([A]6 --- [U]67, [T]7 --[C]66) − прямо в Acceptor-stem (на изображении [PSU]55 отмечен как "X55"): Комментарий:Изображения были получены вырезанием соответсвующих двоек пар из файла stacking.pdb программой ex_str, дальнейшим переводом в изоражение формата ps программой stack2img (дальнейший перевод в формат jpg программой ghostscript). © Степан Пухов 2019 https://kodomo.fbb.msu.ru/~stepan_puhov/term3/pr2.html 6/6
