Исследование ДНК-белкового комплекса

Краткое описание структуры в файле 1I3J.pdb

В файле приведены координаты атомов следующих молекул:
• INTRON-ASSOCIATED ENDONUCLEASE 1, DNA-BINDING DOMAIN (ДНК-связывающий домен эндонуклеазы 1, ассоциированной с интроном). Одна цепь - A.
• Фрагмент ДНК, состоящий из двух комплементарных цепей - B и C.
Молекулы взяты из организма Enterobacteria phage T4 (Bacteriophage T4).

Для исследования были выбраны цепь А белка и цепи В и С, представляющие собой ДНК со следующей последовательностью:


цепь В   [1] 5' - TTCTTGGGTCTACCGTTTAAT - 3' [21] 
                   ||||||||||||||||||||  
цепь С  [51] 3' -  AGAACCCAGATGGCAAATTAA - 5' [31],

    

где 1-21 и 31-51 - номера первых и последних нуклеотидов.


Функции белка, структура которого представлена в файле 1I3J.pdb

Эта эндонуклеаза специфична к границе сплайсинга гена тимидилат-синтетазы, а также вовлечена в процесс определения положения интрона. Кофактором к этому белку является атом магния.

Исследование структуры ДНК

Согласно выдержки из файла dna_old.out, мы имеем дело с В-формой ДНК.

При расчете средних значений торсионных углов использовался следующий метод (подсказан А. Б. Рахманиновой): каждому углу со значением а присваивался единичный вектор (sin a, cos a). После этого простым сложением значений находилась сумма этих векторов - тоже вектор, который приводился к единичному вектору. По полученному единичному вектору однозначно находился некий угол, который и является средним значением. Формулы и подробности см. в таблице, где красным цветом отмечены самые "кривые" нуклеотиды. Судя по этим результатам, нуклеотиды в целом искажены неравномерно, то есть сильно искривленные чередуются с относительно "прямыми", мало отклоняющимися от средних значений. Эта закономерность наблюдается на всем протяжении ДНК. Таким образом, можно сделать вывод, что общее искривление спирали заключено в основном в группе "узловых" нуклеотидов, которые изгибаются гораздо сильнее соседей. Наблюдается также попарная зависимость: если некий нуклеотид заметно искривлен, то с большой долей вероятности его комплементарная пара будет также сильно искривлена.

Исследование природы ДНК-белковых контактов

Будем считать полярными атомы кислорода и азота, а неполярными - атомы углерода, фосфора и серы. Назовем полярным контактом ситуацию, в которой расстояние между полярным атомом белка и полярным атомом ДНК меньше 3.5A. Аналогично, неполярным контактом будем считать пару неполярных атомов на расстоянии меньше 4.5A.

Таблица. Контакты разного типа в комплексе 1I3J.pdb

Контакты атомов белка с	Полярные	Неполярные	Всего
остатками 2'-дезоксирибозы	12	70	82
остатками фосфорной кислоты	21	27	48
остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки	0	17	17
остатками азотистых оснований со стороны малой бороздки	9	10	19


Необходимые множества атомов задаются в скрипте. Работа велась с новым форматом PDB, однако последняя версия Rasmol понимает только те команды, которые написаны с использованием названий атомов из старого формата. Исключение - название бокового углерода тимина С7, которое и используется в новом формате, и распознается в RasMol.
Результаты, приведенные в таблице, легко объясняются общим видом ДНК-белкового взаимодействия. Почти весь белок "размазан" вдоль ДНК и проходит по малой бороздке, лишь в конце часть белка выходит в большую бороздку и образует относительно большое скопление остатков. Что объясняет и большое число контактов в целом, и со стороны малой бороздки в частности. Этому же скоплению принадлежат почти все контакты белка с основаниями со стороны большой бороздки.

Получение популярной схемы ДНК-белковых контактов с помощью nucplot

Использованная команда - "nucplot 1I3J_old.pdb". Вот что получилось:



Рис. 1. Результат работы программы nucplot


Итак, как мы уже заметили, контакты распределены по ДНК достаточно равномерно. Общей корреляции между самыми искривленными остатками и самыми контактирующими остатками я не выделил - если таковую еще можно обнаружить в цепи В, то в цепи С зависимость противоположная: самые "кривые" остатки почти ни с чем не контактируют. Однако в целом nucplot подтвердил все наблюдения, сделанные мной в двух предыдущих упражнениях.

Возможные распознающие контакты

При выборе распознающего контакта я основывался на два фактора. Во-первых, в этом контакте должно присутствовать взаимодейсвие белка с основанием. Во-вторых, рядом с этим взаимодейсвием должно быть как можно больше взаимодейсвий белка и остова ДНК. Взаимодействий белок-основание и так было немного, я же выбрал два места, где соседствуют в одном случае два, в другом три контактирующих с белком основания. Оба места окружены также взаимодействиями белка с остовом, и сделать окончательный выбор я не решился. Можно лишь предположить, что распознающий контакт более вероятен в первом варианте: здесь его окружает все-таки немного больше ДНК-белковых взаимодействий.

Вариант 1:

Рис. 2. Взаимодействие остатков белка ASN201 и PRO199 с остатками ДНК DC14 и DC13 соответственно.


Вариант 2:

Рис. 2. Взаимодействие остатков белка SER176, ARG168 и ARG170 с остатками ДНК DC47, DA48 и DT5 соответственно.



Характеристика ДНК-связывающего домена NUMOD3 motif

С помощью инструментов Pfam мной получена доменная структура белка из исследуемого комплекса:



Source	Domain	Start	End
PfamA	GIY-YIG	2	96
PfamA	NUMOD3	109	122
PfamA	NUMOD3	178	191


Полное название ДНК-связывающего домена - NUMOD3 motif

NUMOD3 - это ДНК-связывающий домен, найденный в эндонуклеазах генной конверсии ('homing endonucleases') и родственных им белках. В них он встречается поодиночке или повторяется несколько раз подряд, как в белках GIY-YIG и HTH. В ДНК-связывающем домене эндонуклеаз генной конверсии I-TevI он составляет субъединицу "бета-виток - петля - спираль".