Белок-нуклеиновые контакты

Задание №1. Получить файлы со структурами, которые вдальнейшем и будут исследоваться

Необходимый pdb-файл - 1R8D.pdb был скачан с сайта PDB. Т.к. в скачанном файле оказалось две цепи ДНК - как и предполагалось - на всякий случай был скачан PDB-файл с биологической единицей предложенного комплекса с сайта Macromolecular Structure Database EBI, однако эти два файла абсолютно идентичны и выглядят так:

Картинка построена с помощью программы Rasmol, модель Spacefill, раскраска Chain.

Задание №2. Исследовать контакты между молекулами белка и нуклеиновой кислоты с помощью программы RasMol

Для получения данных файл 1R3D.pdb был изучен с точки зрения того, как в тексте этого файла названы нужные для выполнения задания атомы: атомы остатка сахара, остатка фосфорной кислоты, атомы азотистых оснований. После данного нам по изначально скрипта dna.def, обозначившего нужные множества, были выделены также:

base - все атомы оснований ДНК (эквивалентно dna and not backbone);

mjg - атомы оснований ДНК, обращённые в большую бороздку ("major groove");

mig - атомы оснований ДНК, обращённые в малую бороздку ("minor groove").
Дальше были подсчитаны (увы, вручную, т.к. RasMol сам этого делать "не умеет") множества полярных и неполярных атомов ДНК. Атомы белка, вступающие в полярные гиброфобные взаимодействия с ДНК, были показаны одним цветом, но разным размером: для полярных - spаcefill 120, для гидрофобных - spаcefill 200. Структура самого комплекса изображена в модель wireframe, раскраска 40 cpk.
Полярными считались все атомы кислорода и азота, а неполярными - все атомы углерода. Таким образом получили:
полярные атомы 2'-дезоксирибозы: " *.O?* " (азота в сахарах нет, а атомы кислорода обозначаются O3*, O4* etc.);

полярные атомы остатков фосфорной кислоты: " *.O?P " (это два атома кислорода: O1P и O2P);

полярные атомы азотистых оснований, обращенные в большую (малую) бороздку: "(oxygen,nitrogen) and mjg" (соответственно, "(oxygen,nitrogen) and mig");

неполярные атомы 2'-дезоксирибозы: " *.C?* " (эквивалентно: "dna and backbone and carbon", поскольку все атомы углерода остова ДНК находятся в остатке сахара);

неполярные атомы ... бороздки: "carbon and ...".
Собственно количество атомов белка, образазующих те или иные контакты с ДНК, было посчитано с помощью команды select within( <порог расстояния>, <множество>).
Расстояния при поиске полярных контактов были взяты 3,5 Å, при поиске неполярных - 4,5 Å.
Результаты приведены ниже в таблице.

	Полярные	Гидрофобные	Всего
Контакты белка с ...
... остатками 2'-дезоксирибозы	4	42	46
... остатками фосфорной кислоты	21	33	54
... остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки	4	8	11
... остатками азотистых оснований со стороны малой бороздки	2	0	2

Исходя из результатов таблицы, можно сделать вывод, что функцией белка, взаимодействующего с ДНК в комплексе из файла 1R8D.pdb явно не является поддержание структуры ДНК (т.к. полярных контактов белка с остатками 2'-дезоксирибозы очень мало - всего 4). Малое же количество контактов с бороздками - большой и малой - обусловлено, скорее всего, тем, что в исследуемой ДНК, которая находится в А-форме, бороздки находятся достаточно глубоко, что затрудняет им образование каких-либо контактов с белком. Поэтому контактов настолько мало.Контакты с остатками азотистых оснований со стороны большой и малой бороздки ДНК, скорее всего, отвечают за "опознание, узнавание" ДНК белком. Большое количество гидрофобных контактов белка с остатками фосфорной кислоты, возможно, говорит о том, что молекулу ДНК как неустойчивую молекулу необходимо "поддерживать" - эти контакты как раз и несут стабилизационную функцию для поддержания сахаро-фосфатного остова молекулы.

Задание №3. Изучение остатков белка, отвечающих за специфичность узнавания белком ДНК

В задании №2 (см. выше) было выяснено, что за "узнавание" белком ДНК отвечают контакты атомов белка с бороздками ДНК, малой и большой. Раз спрашивается об узнавании белком ДНК, то надо обращать внимание именно на них. Т.к. таких взаимодействий мало, было решено привести их все (см. изображения ниже).

Полярное взаимодействие белка с остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки.
Изображение построено с помощью программы RasMol, структуры ДНК и белка изображены в модели wireframe, раскраска cpk. Взаимодействующие основание и аминокислотный остаток - в модели wireframe40. Всё, что взаимодействует, подписано.

Полярное взаимодействие белка с остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки.

Полярные взаимодействия атомов белка с остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки.

Все взаимодействия дублировались(поэтому было решено не изображать фактически одно и то же по два раза) - если был контакт, например, ARG 39 из цепи А, то находился такой же контакт с таким же аргинином в цепи В.

Задание №4. Описание функций исследованного белка

С помощью поисковой системы SRS была выяснена следующая информация. Название белка - BLTR_BACSU, ID в UniProt - P71039(AC - P71039, Q794Z9), из организма Bacillus subtilis, относится к семейству merR. Что это за семейство?
Большое количество бактериальных белков регулирования транскрипции, которые связывают ДНК через мотив 'спирали поворота- спирали', могут быть классифицированы в подсемейства на основе сходств последовательности.
Одно из таких подсеместв - MerR. MerR, который найден во многих бактериях, является посредником между ртуть зависимыми взаимодействиями mediates the mercuric-dependent induction of the mercury resistance operon.
В отсутствии ртути merR подавляет транскрипцию, связывая сильно, как dimer, к операторной области 'mer'; когда ртуть присутствует, димерный комплекс связывает единственный ион и становится мощным транскрипционным активатором, оставаясь связанным с mer сайтом.
Белки этого семейства включают ртутный оперон сопротивления, регулирующий белок merR и ряд других белков из раздичных прокариотных организмов.
Это семейство MerR - часть большой группы HTH. Эта группа содержит разнообразный набор большей частью ДНК-связывающих доменов, которые содержат мотив спираль-поворот-спираль.
Итак, одна из функций белка - регулятор транскрипции.
Другой домен BLTR_BACSU - tipAS (AC - PF07739). Структура этого домена схожа со структурой альфа-спирали гемоглобина. Семейство включает в себя основной регулятор организма Bacillus subtilis к действию различных лекарств - Mta.
ДНК-связывающий домен (AC -IPR009061) DNA_bd_put. Этот домен является консервативным, предположительно отвечает за связывание белка с ДНК (см. задание №3).

Выравнивание Pfam можно посмотреть здесь.

Задание №5. Построение ДНК с помощью программы nucplot

Файл nucplot.jpg был создан следующим образом. С помощью программы nucplot был создан файл с изображением в формате *.jpg:
nucplot 1R8D_.pdb
Причем перед этим файл 1R8D.pdb был изменен - удалили всё до поля AТОМ, заменили " ' " на " * ", "DX" на " X" (Х=G,C,T,A). Иначе программа не хотела работать с фалом. После выполнения команды было получено ихображение в формате *.ps. С помощью программы GSview файл был конвертирован в формат *.jpg

Информация в файле вполне совпадает со сделанными ранее выводами. Например, аргинин 39. На картинке из nuckplot подписано, что атом NH2 взаимодействует с сахаро-фосфатным остовом между основаниями тимин7 и цистеин8. А атом NE ("эпсилон-азот") взаимодействует тоже с сахаро-фосфатными остовами, только между основаниями цистеин8 и цистеин9. Отражен также контакт 38 тирозина с цепью D, 10 гуанином (даже подписано, что тирозин взаимодействует с гуанином за счет ОН-группы)