Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Для системы из 5 реплик с индексамитемператур 0 – 4 в ходе ``нечетных'' попыток обмена будут пробоваться пары0 – 1, 2 – 3 на 1м, 3м и т. д. шагах, а в ходе ``четных'' —пары 1 – 2 и 3 – 4 на 2м,Индекс температуры4м и т. д. шагах (Рисунок 3.58).43...2234...0022...1311...3100...44ВремяРисунок 3.58: Молекулярное моделирование по методу обмена репликами.Диапазон температур выбирается таким образом, чтобы нижняя температура соответствовала изучаемой, а при верхней легко осуществлялись переходы через энергетический барьер. В идеальном случае при верхней температуреу системы должен быть единственный глобальный минимум.
Промежуточныетемпературы распределены экспоненциально и подбираются из такого расчета, чтобы частота обмена между репликами была примерно одинаковой и составляла около 0.15–0.45. Таким образом, в ходе моделирования молекулярной227динамики при высоких температурах происходят конформационные переходы,которые при более низких температурах являются очень редкими событиями,то есть осуществляется переход между соседними потенциальными ``ямами''.При низких температурах система спускается в локальный минимум, находянаиболее энергетически выгодную конформацию.
Все это делает REMD довольно эффективным методом для моделирования самосборки биологическихмакромолекул.Есть ряд статей, посвященных моделированию самосборки НК методом обмена репликами или его вариациями. Так, в работе [386] проводили самосборку дуплекса ДНК 5'-GGCC x2 в неявно заданном растворителе.
В работе [384]обсуждается самосборка ДНК шпильки 5'-GCGCAGС, а в работе [385], помимо моделирования самосборки, также сравнивается стабильность шпилек5'-GCGCAGC и 5'-CGCGACG. Ряд статей [387—389] моделирует поведениеДНК в присутствии углеродной нанотрубки методом REMD.Существует большое число вариаций метода обмена репликами, но лишьчасть из них применима к НК. Так, в одной из работ [390] сравнивается традиционный REMD и вариация, называемая (BP)-RexMD, в приложении к моделированию поведения аденинового динуклеотида и ДНК-дуплекса без одного основания. В отличие от традиционного метода обмена репликами, в (BP)-RexMDреплики отличаются между собой не температурами, а коэффициентами передпотенциалами, описывающими взаимодействия в системе.Метод SREMD – серийный метод обмена репликами – представляет собойREMD, адаптированный для распределенных вычислений на большом числеперсональных компьютеров, как в проекте Folding@home [391].
Pande с соавт.моделируют самосборку 5'-GGGCGCAAGCCU РНК-шпильки и исследуют полученные микросостояния.2283.7.2Шпилечные структурыШпильки представляют собой элементы вторичной структуры НК, состоящие из одноцепочечного участка (петли) и стебля двухцепочечного участка суотсон-криковскими парами, ограничивающего петлю.
Шпильки играют важную роль во многих биологических процессах. Образование подобных структур характерно для большинства мажорных клеточных РНК и важно для выполнения их биологических функций. Шпильки, обнаруживаемые в точках началарепликации [392; 393] и центромерах [394; 395]), участвуют в регуляции репликации. Экспрессия генов может регулироваться с участием шпилек на уровнетранскрипции или трансляции [396; 397], где стабилизация или дестабилизацияшпилек – в зависимости от различных условий (при изменении температуры,взаимодействии с низкомолекулярными лигандами, белками или РНК) – можетвызывать преждевременную терминацию транскрипции или влиять на инициацию трансляции.
Считается, что образование шпилек приводит к экспансиитринуклеотидных повторов, что является причиной таких заболеваний человека, как хорея Хантингтона, синдром ломкой X-хромосомы и миотоническаядистрофия [398]. Шпильки также являются типичным мотивом рибозимов –молекул РНК, способных к катализу [399]. Особой стабильностью отличаютсяшпильки, имеющие последовательность петли GNA (Рисунок 3.59).
Возможной причиной такой стабильности является образование дополнительной неканонической пары между первым (G) и третьим (A) нуклеотидами петли [400].Особой стабильностью отличаются шпильки, имеющие последовательность петли GNA (Рисунок 3.59). Возможной причиной такой стабильности является образование дополнительной не канонической пары между первым (G)и третьим (A) нуклеотидами петли[400].229Рисунок 3.59: Пространственная структура 7-нуклеотидной шпильки,содержащей GCA-петлю3.7.3Анализ конформацийМетоды ЯМР и РСА позволяют, в основном, доминирующую в раствореили единственную в кристалле конформацию молекулы, однако, за выполнение биологической функции может отвечать одна или несколько относительноменее представленных конформаций. Такие состояния, а также кинетическиебарьеры между ними можно определить из траекторий моделирования самосборки биологических молекул.Для решения этой задачи был разработан подход, основанный на применении цепей Маркова с дискретным временем [381].
На основе множества всехполученных в ходе моделирования конформаций строится множество элементарных микросостояний. Каждое микросостояние – это группа конформаций,выделенная на основе структурного критерия, – в данном случае среднеквадратичного отклонения по координатам тяжелых атомов (всех, кроме атомов во-230дорода). Предполагается, что конформационные переходы внутри микросостояний происходят значительно быстрее, чем между микросостояниями.
Такимобразом, относящиеся к одному микросостоянию конформации должны бытьструктурно достаточно близкими. Также к одному микросотоянию должно относиться достаточно большое число конформаций. Для определения микросостояний на основе траекторий моделирования могут быть использованы различные методы кластеризации.Нами использован гибридный k-centers k-medoid алгоритм кластеризации,подробно описанный в работе [401]. Только структурный критерий, однако, неподходит для определения вероятностей переходов между двумя микросостояниями: два геометрически близких микросостояния могу быть разделены высоким кинетическим барьером.
При достаточно большом наборе анализируемыхданных кинетические параметры переходов между микросостояниями могутбыть определены по траекториям моделирования как частота переходов между микросостояниями в ходе моделирования. При моделировании по методуобмена репликами подобный анализ позволяет сделать некоторые заключенияо связи между микросостояниями, но не описывает точные кинетические переходы, так как в ходе моделирования каждая реплика совершает случайныеблуждания по пространству температур.3.7.4Моделирование самосборки структуры олигонуклеотида 5'-GCGCAGC-3'Для моделирования самосборки шпильки было проведено 2 эксперимента:в температурном интервале от 300 и от 270 К. Длина моделирования составила40 нс, а суммарная длительность траекторий по всем репликам в случае моде231лирования от 300 К —1.52 мкс (38 реплик), а в случае моделирования от 273 К—1.68 мкс (42 реплики).
Одним из индикаторов качества моделирования методом обмена репликами является то, что в ходе моделирования все реплики совершили случайные блуждания по всему пространству температур. Обратноеможет говорить или о слишком большой разнице между соседними температурами для данной системы, или же о недостаточном времени моделирования.На Рисунке 3.60 представлены графики температур, при которых моделировались две реплики: первая начинала с самой низкой, а вторая с самой высокойтемпературы.
Рисунок 3.60A относится к моделированию от 300 до 450 К, гдереплика 0 начинает моделирование с температурой 300 К, а реплика 37 —450К. Рисунок 3.60Б относится к моделированию от 273 до 450 К, где реплика 0Индекс температурыИндекс температурыначинает моделирование с температурой 273 К, а реплика 41 —450 К.30201000123Время, псА)реплика 0реплика 374020400123Время, пс·1044·104реплика 0реплика 41Б)Рисунок 3.60: Случайные блуждания репрезентативных реплик попространству температур. A) Нижняя температура 300К Б) Нижняятемпература 273К.По графикам видно, что в обоих случаях репрезентативные реплики пересекают все пространство температур.Как же определить то, что происходит во время моделирования? Одним изтрадиционных способов контроля самосборки является подсчет минимального232Водородные связи, шт.Радиус гирации, нм0.750.70.6501234Время, псСКО, нмА)·10410864012Время, псБ)34·1040.40.200.511.522.53Время, псВ)3.54·104Рисунок 3.61: Моделирование самосборки от 273 K —зеленый, от 300 K—красный.
А) Изменение во времени радиуса гирации олигонуклеотида. Б)Количество внутримолекулярных водородных связей во времени. В)Изменение среднеквадратичного отклонения координат тяжёлых атомоволигонуклеотида от экспериментально определённой структуры.радиуса гирации по всем репликам. Радиус гирации рассчитывается согласноформуле(︃ ∑︀ =2‖ ‖∑︀ )︃ 12,где —масса -ого атома, а —позиция -ого атома относительно центрамасс. При анализе биологических макромолекул радиус гирации указывает нато, насколько компактна молекула, иначе говоря, находится ли она в свернутой или развернутой конформации. Снижение минимального радиуса гирациипо всем репликам соответствует появлению в ходе моделирования все болееи более компактных конформаций, что наблюдается в ходе обоих экспериментов (Рисунок 3.61А).
Другим способом является изучение динамики накопле233ния водородных связей внутри биополимера в ходе моделирования. Для определения того, что водородная связь существует, используется геометрическийкритерий: расстояние между донором и акцептором водорода не должно превышать 3.5 Å, а угол водород-донор-акцептор не должен быть больше 30∘ . НаРисунке 3.61Б видно, что в ходе обоих REMD появляются структуры со всебольшим и большим количеством водородных связей, то есть структуры со всеболее низкой энергией. Этот процесс соответствует продвижению системы всторону глобального минимума.Процесс самосборки можно косвенно наблюдать по изменению минимального среднеквадратичного отклонения полученных в ходе моделирования конформаций от референсной структуры собранной шпильки (1ZHU с изменениями) по всем репликам (Рисунок 3.61В).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
