Исследование ДНК-белковых взаимодействий в структуре комплекса белка - регулятора транскрипции ARC и оператора гена arc

Краткое описание структуры в файле 1BDT.pdb

В файле приведены координаты атомов следующих молекул:
• Белка, регулятора транскрипции ARC, представленного цепями А, В, С, и D;
• ДНК, представленную цепями:
  • Е (5'- D(*TP*AP*TP*AP*GP*TP*AP*GP*AP*GP*TP*GP*CP*TP*TP*CP*TP*AP*TP*CP*AP*T)-3')
  • F (5'- D(*AP*AP*TP*GP*AP*TP*AP*GP*AP*AP*GP*CP*AP*CP*TP*CP*TP*AP*CP *TP*AP*T)-3').

Белок и ДНК из Бактериофага Р22 .
Для исследования были выбраны цепи A, B, C, D белка и цепи E, F, представляющие ДНК со следующей последовательностью:


цепь E  [1] 5' - TATAGTAGAGTGCTTCTATCAT -  3' [22] 
                  ||||||||||||||||||||| 
цепь F [22] 3'  - TATCATCTCACGAAGATAGTAA - 5' [1],
    

где 1 и 22 - номера первого и последнего нуклеотида.

По данным документа UniProt, белок представленный в структре, является транскрипционным репрессором генов arc и ant, при этом первичная структура данного полипептида кодируется геном arc. Белок пренадлежит семейству 22arc/mnt. Соединяется с ДНК как гомотетрамер.

Исследование структуры ДНК

С помощью программ find_pair и analyze было определено, что ДНК, представленная в структуре, В-формы. Были определены средние значения торсионных углов для внутренних нуклеотидов (для всех, кроме краевых). самыми "кривыми" нуклеотидами со значениями торсионных углов, наиболее отклоняющимися от средних стали нуклеотиды Тимин19 из цепи Е и Аденин5 из цепи F.Они образуют комплементарную пару.

Вообще, если взглянуть на изображение контакта ДНК с белком, то можно заметить, что структура довольно симметрична. Поэтому я ожидала увидеть наиболее отклоняющимися значения торсионных углов у двух нуклеотидных пар. Так как одна из них есть , то симметрично, с другого конца молекулы ДНК следовало бы ожидать так же высокие отклонения торсионных углов для 4-й пары нуклеотидов (G-C). Однако, как показывает таблица, использовавшаяся для выполнения данного задания, сильные отклонения от среднего значения торсионных углов демонстрирует только Цитозин19 из цепи F, тогда как Гуанин5 из цепи Е обнаруживает совсем небольшие отклонения от средних значений торсионных углов.

Исследование природы ДНК-белковых контактов

Исследовалось наличие полярных и неполярных контактов между молекулами ДНК и белка. 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 3.5 Å. Аналогично, неполярным контактом будем считать пару неполярных атомов на расстоянии меньше 4.5 Å.
1) скрипт , в котором определены множества атомов, необходимые для выполнения следующей работы;


2)Таблица. Контакты разного типа в комплексе 1BDT.pdb

Контакты атомов белка с	Полярные	Неполярные	Всего
остатками 2'-дезоксирибозы	2	29	31
остатками фосфорной кислоты	35	41	76
остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки	14	54	68
остатками азотистых оснований со стороны малой бороздки	0	0	0




Как нетрудно заметить, полярных связей ощутимо меньше, чем неполярных. Думаю, есть несколько причин. Во-первых, это, конечно, тот факт, что атомов, способных образовать полярную связь меньше, во-вторых, как мне кажется, многие атомы, которые теоретически могли бы образовать полярную связь, как бы "спрятаны". Нет связей на малой бороздке ДНК, что позволяет сделать вывод, что ДНК контактирует с белком со стороны большой бороздки.

Получение популярной схемы ДНК-белковых контактов с помощью nucplot

Была использована команда nucplot 1BDT_old.pdb . В результате получили картинку:



Видно, что контактов белка и остовом молекулы ДНК намного больше, нежели с азотистыми основаниями. при контакте с остовом молекулы ДНК, белок не проявляет никакой избирательности, последователность ДНК значения не имеет, тогда как при контакте с азотистыми основаниями значение последовательности ДНК является определяющим. Это можно положить в основу рассуждений при выборе распознающих контактов. Кроме того, программа показывает нам контакты воды с молекулой ДНК, чего не в состоянии сделать RasMol. Но, как выяснено, контакты с водой имеют большую роль.

Результаты на картинке и мой собственный из пункта 3 не совсем совпадали. В коментариях к заданию III я указывала на пару G5(E) - C19(F). Из них водородную связь с белкомт образует Гуанин, но не Цитозин, демонстрировавший очень сильные отклонения от средних значений торсионных углов. Кроме того, так как структура была достаточно симметрична, то я ожидала увидеть контакты ещё и в районе пары 19Т(Е) - 5А(F). Однако программа не выдала ни одного рисунка, изображающего вторую половину молекулы ДНК. Возможно, это просто особенность программы.

Возможный(е) распознающий(е) контакт(ы)

Думаю, что хорошим кандидатом на роль распознающего контакта подходят аминокислоты Gln9, Asn11, Arg13 из цепей А и В белка и, соответственно рисунку программы nucplot, контактирующие с ними азотистые основания. Я пришла к такому выводу потому, что на картинке можно заметить, что атомы именно этих аминокислот образуют связи непосредственно с атомами азотистых оснований, а значит проявляют некую избирательность, которая невозможна при контакте с сахаро-фосфатным остовом. Названные аминокислотные остатки входят в состав β-тяжей каждой из цепей. Кроме того, атомы кислорода Тимина6 цепи Е и Аспарагина11 цепи В находятся на растоянии 3.19 Å, что достаточно мало. Значит, соседние нуклеотиды и аминокислоты настолько крепко связаны, что удерживают и заключённую между ними пару в таком состоянии. На приведённой ниже картинке, полученной с помощью RasMol, изображены выбранные контактирующие остатки. Так как показать в деталях взаимодействие полностью достаточно проблематично, то я решила привести несколько рисунков.
• На первом рисунке показаны контакты аминокислот с основаниями цепи Е. Тимин6 и Аспарагин11 цеви В покрашены зелёным цветом, указано расстояние между атомами кислорода в них.

  

• На втором рисунке показаны контакты аминокислот с основаниями цепи F.

  

• На третьем рисунке показано, как β-тяжи, включающие названные выше аминокислоты (каждый β-тяж с 8-го по 14-й аминокислотный остаток), располагаются относительно участка молекулы ДНК (ДНК в остовной модели, нуклеотиды, который участвуют в исследуемом контакте, в проволочной модели).

  

Характеристика ДНК-связывающего домена RARC_BPP22

С помощью инструментов Pfam я определила доменную структуру белка из исследуемого комплекса. в белке присутствует ДНК-связывающий домен Arc. картинка, приведённая ниже, иллюстрирующую доменную структуру.



В данном белке домен встречается в каждй из 4-х цепей. В цепи А с 4-ой по 52-ю позицию, в цепи В с 4-й по 53-ю, в цепях С и D с 4-й по 50-ю.

Полное название ДНК-связывающего домена в InterPro - Arc-подобный ДНК-связывающий домен (InterPro: IPR005569 Arc-like DNA binding). Arc-репрессор образуется из 2-х Arc-репрессорных димеров и взаимодействует с сайтом оператора,который состоит из 21-й пары нуклеотидов. Каждый Arc-димер использует антипараллельные β-тяжи чтобы распознавать основания со стороны большой броздки. Эти β-тяжи принадлежат разным полипептидам, входящим в состав каждого димера. 2 антипараллельных β-тяжа образуют β-лист. Итого в димере 2 β-листа.