Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В)Деградация спиральной формыдуплекса РНК (GCGCG) в ff99, в связи с неточностью описания угла вокругN-гликозидной связи. Эта проблема была исправлена в parm3 .теля COSMO для учета сольватации НК. На сегодняшний момент рекомендуется использовать комбинацию силовых полей ff99 + parmbsc0 для ДНК и ff99 +parmbsc0 + parm3 для РНК. Также был уточнено описание потенциала угла для ДНК (parm4 ) для улучшения моделирования неканонических молекул ДНК с нуклеотидами в син-конформации, таких, как антипараллельные Gквадруплексные ДНК [40].
И, хотя ff98, ff99 и parm4 можно рассматриватьвсего лишь как попытки тонкой настройки, однако parmbsc0 и parm3 имеютбольшое значение для достижения стабильности канонических и неканонических структур ДНК.Расчёты КМ помогли также в уточнении силовых полей семействаCHARMM [25] для нуклеиновых кислот. Затем были созданы и испытанынесколько версий силового поля. При описании РНК в силовом поле CHARMMбыла пересмотрена параметризация торсионных углов 2'-гидроксильного протона рибозы для того, чтобы избежать неустойчивости РНК при моделированииМД (CHARMM36) [88] (Рисунок 2.8). Тем не менее, даже в новой версии в некоторых тестах по-прежнему наблюдалась некоторая нестабильность структуры57РНК [91], так что необходимо приложить некоторые дополнительные усилия,для более точного описания РНК в полях семейства CHARMM.Наряду с упомянутыми ранее модификациями, были предприняты другиепопытки оптимизации полей семейства ``AMBER'', которые ещё недостаточноиспытаны и обычно не используются [92; 93].
Эти модификации связанны cуточнением описания угла .Рисунок 2.9: Моделирование МД канонической А-формы дуплекса РНК(GCACCGUUGG)2 (PDBID:1QC0) с использованием недавней версии поляAMBERTOR [94]. Слева: среднеквадратичное отклонение (RMSD) остова.Чёрной линией обозначено моделирование с AMBER99TOR, красной линией ff99 + parmbsc0 + parm3 .
Справа: распределение значений торсионногоугла при моделировании AMBER99TOR. Высокая заселённость малыхзначений не согласуется с кристаллографическими данными и показывает,что неудачная репараметризация может ухудшить баланс сил из-занепредсказуемых побочных эффектов. Это может быть связано как снеточностью первичных расчётов КМ, так и с неточностью последующейподгонки.Одной из главных причин успеха силового поля ``AMBER'' являетсяего элегантная модель для описания электростатических взаимодействий.
Частичные атомные заряды, которые сами по себе не имеют большого физического смысла, пригодны для воспроизведения наблюдаемой в КМ картины. Этот подход известен как подгонка электростатического потенциала(ESP) вокруг небольших фрагментов нуклеиновых кислот. Так как ESP яв58ляется важным фактором, определяющим электростатическую часть молекулярных взаимодействий, то описание точечного заряда с учётом ESP является оптимальным в пределах этого силового поля. Этот подход также хорошо себя показал для описания стэкинга и других взаимодействий с участием азотистых оснований [95].
Тем не менее, последние исследования показали, что молекулярно-механическое описание гетероатомов переоценивает энергию стэкинг-взаимодействий [96]. Это может иметь значимые последствия длядостоверности моделирования, так как может привести к систематической излишней стабилизации структур со стэкингом в моделировании. К сожалению,проблему нельзя исправить в нынешнем виде силового поля. Для гибкого и заряженного сахаро-фосфатного остова подход ESP менее оправдан, так как использование постоянного набора зарядов не позволяет точно описывать поверхность потенциальной энергии остова.592.3Моделирование молекулярной динамики Gквадруплексных ДНКГуаниновые квадруплексы (G-ДНК), возможно, наиболее важные неканонические структуры ДНК. Основной структурной единицей G-ДНК является плоский квартет циклически связанных водородными связями гуанинов.Несколько последовательных квартетов, образующих стопочную структуру, называют тяжом G-ДНК, в центральную полость которого часто выстраиваютсяодновалентные катионы.
На рисунке 2.10 показан простой тяж с двумя квартетами, стабилизированных одним катионом K+ . Молекула G-ДНК может состоять из четырех, двух или одной молекул олигонуклеотидов, которые соединяются вместе и образуют тяж G-ДНК в различных комбинациях с параллельнымии антипараллельными ориентациями цепей.Рисунок 2.10: Двуквартетный тяж G-ДНК с антипараллельно направленнымицепями. Слева представлен вид сверху, справа - вид сбоку. Стабилизирующийкатион изображён фиолетовой сферой.В природе наиболее актуальны варианты с одноцепочечной (мономерной)топологией. Под топологией G-ДНК понимают способ организации петель при60образовании квадруплекса. Мономерным и димерным квадруплексам, состоящим из одной или двух последовательностей ДНК, нужны одноцепочечныепетли для изменения хода цепи.
Структура петель играет важную роль в биологической функции G-ДНК. Хотя архитектура G-ДНК выглядит на первый взглядпростой, на самом деле она представлена огромным набором топологическихвариантов, которые часто являются чрезвычайно чувствительными к последовательности оснований и окружению [15; 97—100]. Даже концевые остаткинуклеотидов в последовательности ДНК могут иногда влиять на общую топологию G-квадруплекса [101].Первые расчёты по моделированию G-ДНК с использованием соответствующего силового поля и протоколов моделирования были опубликованы в 1998году [102], и примерно в то же самое время появились данные о моделированииМД для I-квадруплексов (квадруплексы на основе инозина).
Эти исследованияG-ДНК были выполнены с помощью пакета программ AMBER [89] и с использованием первого поколения силовых полей (ff94). Первое исследование былоосновано на внушительной для того времени длине траектории в 20 наносекунд. Исследование выявило несколько результатов, которые остаются полностью актуальными до сих пор (что, однако, не всегда справедливо для областимоделирования МД).
Например, была обнаружена уникальная жёсткость квадруплексного ствола и показано, что тяж заметно дестабилизирован в отсутствиекатиона в центральной полости, а также была обнаружена возможность гидратации центральной полости при отсутствии катиона. Авторы работы подчеркнули, что тяж может быть достаточно стабильным с ненасыщенной катионамицентральной полостью.Исследование показало глубокие структурные конфликты в рентгеновскойструктуре G-ДНК с латеральными петлями (G4 T4 G4 )2 , поддерживая альтерна61тивную топологию с диагональными петлями, которая была предсказана на основании данных ЯМР (и позже, наконец, была подтверждена методом РСА)[103; 104].
Моделирование продемонстрировало несовершенство описания катионов внутри стебля. Первое исследование показало, что тщательно выполненные и проанализированные вычислительные эксперименты по моделированию МД предоставляют интересную информацию о G-ДНК.2.3.1Что интересного может рассказать нам моделированиеG-ДНК?При оценке результатов моделирования важно понять, что именно этот метод делает и каковы его основные ограничения и приближения. МД в явном растворителе является, по сути, системой с одной молекулой или с одной копиеймолекулярного комплекса, растворенной в водном растворе.
Большинство изученных систем начинается с точной стартовой геометрии (набор координат атомов), как правило, полученных из экспериментальных данных с высоким разрешением: зачастую из результатов РСА и ещё чаще – из данных структурногоЯМР. Качество стартовой геометрии критически влияет на последующее моделирование по двум причинам. Во-первых, время моделирования может бытьнедостаточно для того, чтобы преодолеть энергетические барьеры для переходав более выгодную конформацию структур.
Во-вторых, качество теоретическоймодели биополимера (силового поля) может быть недостаточно точным, чтобынайти правильную структуру.В то же время моделирование может быть полезно для обнаружения неточностей в экспериментальных структурах, о чём, как правило, свидетельствуют62быстрые структурные изменения в ходе молекулярной динамики, когда системаимеет высокое стартовое значение потенциальной энергии.Классической задачей для моделирования является исследование известныхэкспериментальных структур и их ближайших аналогов (например, полученных путём замены оснований, изменением протонированного состояния и т.д.)[105—108]. Более амбициозной задачей является попытка использовать имитационное моделирование для предсказаний новых структур, а в крайних случаях– для имитации пути самосборки молекулы.
Однако есть соблазн исключить такие значимые вычислительные затраты полностью, так как они в целом болеерискованны и требуют глубокого понимания того, какие приближения можноприменять. Есть много исследований в современной литературе, в которых авторы недостаточно хорошо ориентируются в возможностях современных методов моделирования. Такие работы часто опубликованы в высокорейтинговыхжурналах, так как результаты выглядят, на первый взгляд, более привлекательными, по сравнению с исследованиями, которые выполняются с применениемболее консервативных подходов.Начиная со стартовой геометрии, биомолекулярная система, окружённаямолекулами воды и ионами, проходит 1-1000 и более наносекунд молекулярной динамики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
