Структура пролиновой тРНК из бактерии Thermus

Анализ структуры пролин-тРНК (CGG) из бактерии
Thermus thermophilus.
Ким Александр, гр. 201, ФББ МГУ
Аннотация: биоинформатическими методами были проанализированы вторичная структура данной тРНК
и внутримолекулярные контакты, поддерживающие ее третичную структуру.
Ключевые слова: тРНК, вторичная структура тРНК, элементы вторичной структуры (акцепторный
стебель, антикодоновый стебель, антикодон,
DU-стебель, TψC-стебель, DU-петля, TψC –петля,
вариабельная петля, антикодоновая петля), третичная (L-образная) структура тРНК, неканонические
нуклеотидные пары, неспиральные стэкинг-взаимодействия, triple-взаимодействия.
Введение: Транспортная РНК (тРНК) – это разновидность рибонуклеиновых кислот, представляющая
полимерную макромолекулу, функцией которой является связывание аминокислоты, доставка ее к
рибосоме и комплементарное взаимодействие с соответствующим кодоном мРНК, после чего данная
аминокислота присоединяется к синтезируемой полипептидной цепи.
Известно, что тРНК имеет вторичную структуру из четырех двуцепочечных стеблей и трех концевых
петель, так называемый ”клеверный лист”, который в пространстве складывается в L-образную третичную
структуру. Цель данной работы – построение вторичной структуры тРНК и поиск взаимодействий
предполагаемо участвующих в формировании ее третичной структуры, при помощи обработки данных
рентгено-структурного анализа исследуемой тРНК.
Результаты: Следует отметить, что в исследуемом PDB файле нехватает 10 нуклеотидов со стороны
акцепторного конца (6-и конечных комплементарных пар акцепторного стебля и 4-х нуклеотидов
непосредственно акцепторного конца), к тому же существует ряд особенностей данного PDB файла,
затрудняющих нормальную ориентацию в нем – 18-ый нуклеотид пронумерован как 17А, минорные
нуклеотиды прописаны как гетероатомы, и т.д. Тем не менее мною была использована именно данная
нумерация, чтобы избежать вохможной путаницы.
Нуклеотидная последовательность цепи пролин-тРНК (участки раскрашены соответственно
нижеприведенным таблицам 1 и 2):
5’ CGGGGAGUAGCGCAGCCCGGUAGCGCACCUCGUUCGGGACGAGGGGGGCGCUGG(5MU)(PSU)CAGAUCCAGUCUCCCCGACCA 3’
При помощи программ find_pair и analyze была построена таблица водородных связей между азотистыми
основаниями на основе которой была оформлена таблица спиральных участков (Таблица 1):
4_:[..G]G-----C[..C]:..69
5_:[..G]G-----C[..C]:..68
6_:[..A]A-----U[..U]:..67
7_:[..G]G-----C[..C]:..66
10_:[..G]G-----C[..C]:..25
11_:[..C]C-----G[..G]:..24
12_:[..G]G-----C[..C]:..23
13_:[..C]C-----G[..G]:..22
26_:[..A]A-*---G[..G]:..44
27_:[..C]C-----G[..G]:..43
28_:[..C]C-----G[..G]:..42
29_:[..U]U-----A[..A]:..41
30_:[..C]C-----G[..G]:..40
31_:[..G]G-----C[..C]:..39
32_:[..U]U-----A[..A]:..38
49_:[..G]G-*---U[..U]:..65
50_:[..C]C-----G[..G]:..64
51_:[..U]U-----A[..A]:..63
52_:[..G]G-----C[..C]:..62
53_:[..G]G-----C[..C]:..61
Акцепторный стебель
(4-7, 66-69)
DU-стебель
(10-11, 22-25)
Антикодоновый стебель
(26-32, 38-44)
TψC -стебель
(49-53, 61-65)
По таблице 1 была построена схема вторичной структуры тРНК (раскраска в соответствии с данной
таблицей):
3'
– каноническая комплементарная связь
– неканоническая комплементарная связь
5'
@
C
3
@
G
@
G
G
G
A
Акцепторный стебель
DU-стебель
DU-петля
C
C
G
C
G
G
U
A
A
A
C G C G
U
Акцепторный конец
G
C
C
C
C
U
TψC-стебель
TψC-петля
C
U G A C C
U A
G
A
C
G C U G G
5 P
G
C
G
G G
G
G
псевдоуридин
A
G C G C
A
Антикодоновый
стебель
G
@
A
3
@
C
@
C
A
C
C
U
C
G
C
A
G
U
U
C
G
5-метилуридин
Вариабельная петля
G
G
Антикодон
Антикодоновая петля
Так же по данным програм find_pair и analyze была построена таблица неспиральных водородных
взаимодействий (комплементарные взаимодействия нуклеотидов, не образующие спирали; Таблица 2):
8_:[..U]U-**--A[..A]:..14
15_:[..G]G-**+-C[..C]:..48
18_:[..G]G-**+-P[PSU]:..55
19_:[..G]G-----C[..C]:..56
21_:[..A]A-**+-G[..G]:..47
54_:[5MU]u-**--G[..G]:..58
Анализом визуализации РСА-структуры тРНК в программе RasMol были определены triple-взаимодействия
(водородные взаимодействия сразу трех нуклеотидов, лежащих в одной плоскости):
25 С 45 G
13 С 22 G
21 A 14 A
10 G
46 G
8U
А так же неспиральные стэкинг-взаимодействия (гидрофобные взаимодействия лежащих друг под другом в
параллельных плоскостях пар или одиночных нуклеотидов, не идущих друг за другом в цепи; раскраска в
соответствии с таблицей 2):
15 G – DU-петля
19 G – DU-петля
45 G – вариаб. петля
14 A – DU-петля
59 A - TψC-петля
57 A - TψC-петля
9A
22 G – DU-стебель
18 G - DU-петля
46 G – вариаб. петля
58 G - TψC-петля
21 A – DU-петля
61 C – TψC-стебель
48 A – вариаб. петля
Как обьединение полученных данных о трех вышеприведенных типа взаимодействий была построена схема
взаимодействий отвечающих за стабильность пространственной структуры тРНК:
15 G – DU-петля
//
59 A - TψC-петля
//
G C; A G
G
– неспиральные стэкинг-взаимодействия нуклеотидов
A
– неспиральные комплементарные взаимодействия (раскраска по таблице 2)
– triple-взаимодействия
G C G; A A U
A
C
19 G – DU-петля
5'
57 A - TψC-петля
@
C
3
@
G
@
G
18 G - DU-петля
58 G - TψC-петля
61 C – TψC-стебель
C
C
G
C
G
G
U
A
A
45 G – вариаб. петля
9A
46 G – вариаб. петля
21 A – DU-петля
48 C – вариаб. петля
A
C G C G
U
C
A
G
G
A
G
C
C
C
C
U
G
C
15 G – DU-петля
59 A - TψC-петля
U G A C C
U A
G
A
C
G C U G G
5 P
G
C
G
G G
G
G
A
14 A – DU-петля
G
22 G – DU-стебель
C
A
G C G C
A
C
C
U
C
G
U
U
C
G
G
G
8U
13 С – DU-стебель
Так же были получены предсказания вторичной структуры данной тРНК программой mfold c
использованием алгоритма Зукера. Нижеприведенный вариант является наиболее схожим со структурой,
построенной на основании анализа водородных взаимодействий – показаны четыре стебля, причем
акцепторный и TψC- стебли совпадают полностью; в отображении антикодонового стебля и петли,
наличествует ряд незначительных отличий, связанных с тем, что программа, разорвав неканоническое
взаимодействие A-G в начале стебля, добавила лишнюю неканоническую связь G-U в петле; при
построении DU-петли mfold опять же добавил два лишних взаимодействия, одно из которых к тому же
является неканоническим. В целом, на мой взгляд, алгоритм Зукера в данной реализации пригоден лишь
для общего представления особенностей структуры тРНК, т.к. выявленные неточности могут влиять на
корректность выводов, связывающих структурные особенности данной молекулы с функциональными.
Обсуждение: найденные взаимодействия полностью соответствуют современным представлениям, по
которым третичная L-структура тРНК формируется за счет сближения DU- и TψC- петель. Большое их
разнообразие подчеркивает особую важность такой пространственной структуры для нормального
функционирования тРНК – это может быть значимо для узнавания тРНК специфической ей аминоацилтРНК-синтетазой и взаимодействия
с ней, а так же для процессов непосредственного синтеза
полипептидной цепи на рибосомах.
Сопроводительные материалы: В файле 1h4q содержится скрипт для Rasmol, позволяющий
визуализировать основные элементы структуры тРНК из PDB записи 1h4q.pdb.
Материалы и методы: пространственная структура и нуклеотидная последовательность пролин тРНК
были взяты из базы данных PDB (Protein Data Bank), идентификационный номер структуры (PDB ID) –
1h4q. При подготовке материалов были использованы следующие инструменты:



Программы find_pair и analyze пакета 3DNA для Unix (для получения таблицы водородных связей
между азотистыми основаниями данной тРНК);
Программа mfold пакета 3DNA (для построения схемы вторичной структуры тРНК на основании
нуклеотидной последовательности по алгоритму Зукера);
Программа RasMol (для изучения особенностей третичной структуры тРНК - выявление контактов
нуклеотидов, отвечающих за стабильность пространственной конфигурации и др).