Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами, страница 6

В часто упоминаемом исследовании Свозила и коллег [37]рассматривается 8000 индивидуальных нуклеотидов примерно из 450 структурДНК, разрешение которых не превышало 1.9Å. Для того, чтобы учесть корреляцию в значениях торсионных углов соседних нуклеотидов, также был проведенанализ динуклеотидных блоков. Данные для таких блоков определяли как индивидуальный признак, т.е. независимо от формы и топологии ДНК (напримерА- или В-формы ДНК). Как и ожидалось, анализ выявил основные конформеры, но также были найдены конформеры, которые одновременно имели признаки как А-, так и В-формы ДНК. B-форма ДНК представлена в двух основных конформерных формах: BI и BII.

Каноническая конформация BI наиболеепредставлена среди известных данных. В обеих формах сахарное кольцо имеет С2'-эндо-конформацию. В свободном состоянии ВI-форма ДНК имеет дверазделённые области значений углов и (Рисунок 2.5). В то время, как угол принимает значения около 260∘ , угол обеспечивает транс-состояние (180∘ ).Любопытно, что в ВII-форме ДНК происходит симметричное изменение значений углов ∼ на 170∘ и ∼ - на 245∘ .При образовании комплексов с лигандами переход из формы BI в форму BIIперестаёт быть дискретным (Рисунок 2.5). Кроме этого, появляются конформе35ры, которые не могут быть отнесены ни к А-, ни к В-форме ДНК.

Эти конформации можно описать как однонуклеотидное состояние в А-форме, в то время, какостальные нуклеотиды представлены в В-форме ДНК; некоторые нуклеотидымогут находиться в некоем транзитном состоянии из А- в В-форму [37].Каноническая А-форма ДНК, часто называемая AI, описывается состоянием сахара С3'-эндо ( ∼80∘ ): угол принимает значения около 300∘ .

Значения углов в следующем нуклеотиде (далее такие углы буду иметь индекс +1)составляют: ∼ 300∘ , ∼180∘ . Следующая основная конформация - это AII,при которой углы +1 и +1 принимают транс-конформацию. Также существуют конформеры, похожие на А-форму, и для них характерно значение угла ≈200∘ . Конформация сахара принимает О4'-эндо-конформацию (угол ∼ 100∘ ),что является переходным состоянием из С2'-эндо в С3'-эндо-конформацию.Обе А- и В-формы ДНК разрешают движения в углах и , подобно коленчатому валу, при этом они не влияют на ход основной цепи. КонформациюAII с транс-состоянием углов и можно найти в свободных молекулах. В товремя, как для В-формы ДНК подобные состояния углов можно найти только вкомплексе с лигандами и белками [39].Z-форма ДНК - это очень интересный вариант конформации ДНК и серьёзный тест для моделирования в классических силовых полях [40].

Все остаткигуанозина имеют син-конформацию вокруг угла . В то время, как динуклеотид5′-CpG-3′ может иметь только одну конформацию - Z - , динуклеотид 5′-GpC3′ может иметь конформации ZI и ZII. Можно сказать, что истинным повторяющимся элементом в Z-ДНК является динуклеотид. Для комбинации “ZI/ZII"можно утверждать, что для остатка гуанозина =290∘ , то для следующего остатка цитидина угол должен составлять 240∘ (форма ZI). Если для гуанозина угол36=65∘ , то для цитидина +1 =165∘ (форма ZII).

Надо отметить, что угол не влияет на угол последующего нуклеотида.Ограничения на выборку, накладываемые разрешением структур РСА, приводят к тому, что некоторые важные топологические элементы остова не представлены. Например конформации нуклеотидов, где угол находится в транссостоянии, что характерно для первого нуклеотида в петлях квадруплексныхструктур [37; 40].Поступает всё больше сообщений о том, что остов ДНК вносит значимыйвклад в свойства В-формы ДНК, в зависимости от последовательности [23; 41;42].

Необходимость детального понимания вариативности структуры ДНК становится всё более насущной, так как до сих пор не найден универсальный кодсоответствия для ДНК-белковых взаимодействий [43; 44]. Дальнейший прогресс в нашем понимании влияния конформаций на функцию ДНК может бытьсвязан с переходом на рассмотрение тетрануклеотидных контекстов в последовательности, количество которых составляет 136 штук.

С другой стороны,большинство структурных данных для свободной ДНК получено для исключительно коротких последовательностей, что, в свою очередь, сужает горизонтанализа. Естественно, нет никаких гарантий, что конформации, найденные методом РСА, представляют выборку свойственных для живой клетки конформаций.Белки узнают специфические сайты узнавания на ДНК, используя две стратегии, которые принято называть ``прямое'' и ``непрямое''считывание. В случае прямого считывания, в последовательности ДНК узнаётся специфическийпаттерн с образованием определённых контактов азотистых оснований с аминокислотами на поверхности взаимодействия ДНК с белком. Непрямое считывание подразумевает узнавание сайта связывания, благодаря: специфическим37изменениям гибкости или подвижности дуплекса ДНК, изменению электростатического потенциала и т.д. Обе модели узнавания приводят к изменениям вструктуре ДНК, вплоть до изгиба дуплекса.

Вероятно, что обе стратегии дополняют друг друга. Узнавание последовательности ДНК - очень сложный процесс.Трудно использовать простой код для описания процесса узнавания последовательности ДНК белками даже внутри одного класса ДНК-связывающих белков[43—45].Надо отметить, что биоинформатический анализ (т.е.

анализ данных, полученных экспериментально) не обнаружил конформеров ДНК, содержащих нуклеотидов с углом в транс-области. Тем не менее, такие конформации былинайдены при моделировании молекулярной динамики с использованием ранних версий силового поля семейства parm. Накопление таких конформацийприводило к потере дуплексной структуры В-формы ДНК [31]. Это сравнениеуказывает на эффективность биоинформатического анализа для исследованиястабильных конформаций ДНК, и он может быть использован как метод сравнения для всех остальных методов. Отсюда также следует, что незначительноеизменение в свойствах остова может привести к значимым изменениям в геометрии ДНК.

В ходе биоинформатического анализа было обнаружено 126 индивидуальных кластеров конформаций, из которого были отобраны 20 наиболее значимых [37]. Некоторые из кластеров содержат менее 10 индивидуальныхпредставителей. Такие малонаселённые кластеры могут появляться из-за ограничений, связанных с экспериментальным определением структуры, и, вероятно, такие конформации не представлены в природных условиях. Тем не менее,они могут представлять важную информацию о состоянии торсионных угловв неканонических структурах.

С другой стороны, значимое количество динуклеотидов не попало ни в один из 126 кластеров. Возможно, будущие квантово38механические исследования смогут прояснить эту картину. В свою очередь,биоинформатические данные могут быть использованы как внутренний контроль для всех последующих исследований вычислительного характера.2.2.2Структурная биоинформатика РНКБольшая сложность конформационных состояний остова РНК приводит кширокому набору возможных структур РНК. Полное описание хода цепи РНКв целом затруднено, т.к.

редко удаётся получить качественные данные для установления структуры [46—48]. Структуры больших РНК представляют основную часть данных о структуре РНК, но для таких объектов разрешение РСАограничено 2.5-3.5 Å. На сегодняшний день нет высокоточных данных о многихважных конформациях РНК. В то время, как для остова ДНК удалось достичьразрешения в 1.9Å, то для основного набора данных из структур рибосомы этозначение не превышает 2.4Å. Часто встречаются ошибки при расшифровке данных РСА, когда ориентация азотистого основания определяется как син-, в товремя, как последующие данные РСА указывают на анти-. Таким образом, много индивидуальных состояний остова РНК могут быть неверно определены илиполучены в ходе оптимизации структуры, а не из экспериментальных данных.Конечно, можно исключить предположительно ошибочные данные из рассмотрения, но это внесёт предвзятость в выборку.

Возможно, такие конформациихарактерны для напряжённых частей РНК. С другой стороны, если нуклеотидимеет несколько равнопредставленных конформаций, то среднее арифметическое положение, которое получается после анализа электронной плотности, вероятно, будет бессмысленным. Структурно-биоинформатический анализ ориентируется на те молекулы, структуры которых статичны. Современные методы39определения структуры детектируют наиболее представленные конформации,но, если представленных конформаций несколько, то определение структурызатруднено, и исследователи склоняются к тем данным, которые представляются им более рациональными. Стоит отметить, что для РНК именно конформационное равновесие играет ключевую роль в выполнении её функции.Попробуем описать наиболее представленные конформации остова РНК.

ВРНК наиболее встречающийся набор значений торсионных углов ∼ 290∘ и+1 ∼ 295∘ , как в канонической А-форме РНК [46; 48]. Углы и показывают чистое тримодальное распределение с пиками в 295∘ и 55∘ , соответственно.Угол имеет широкое распределение Гаусса с пиком в 180∘ . Угол имеет одинпик негауссовской формы при 180∘ , а большинство выпадающих значений относится к явным ошибкам определения структуры [46]. Угол имеет чистое бимодальное распределение, соответствующее С3'-эндо и С2'-эндо-конформациисахара. Для угла наблюдается широкое распределение, что соответствует богатому разнообразию известных структур РНК.