vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-295Research ArticleМолекулярная биологияMolecular biologyМОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДНК-БЕЛКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО РЕЗОНАНСНОМУ ПЕРЕНОСУ ЭНЕРГИИ И ПЕРЕКИСНОМУ ОКИСЛЕНИЮMODELING OF POTEIN-DNA COMPLEXES GEOMETRY UTILISING FRET AND FOOTPRINTING DATAАрмеевГ. А.ArmeevG. A.

аспирант, мл. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

armeev@molsim.orgГорковецТ. К.GorkovetsT. K.

аспирант кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

gorkovets@molsim.orgЕфимоваД. А.EfimovaD. A.

студент кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

dar9468@yandex.ruШайтанК. В.ShaitanK. V.

докт. физ-мат. наук, проф. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-23-74

shaytan49@yandex.ruШайтанА. К.ShaytanA. K.

канд. физ-мат. наук, вед. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

alex@molsim.orgКафедра биоинженерии, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12РоссияDepartment of Bioengineering, School of Biology, M.V. Lomonosov Moscow State University, Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234, RussiaRussian Federation201614032016013540Copyright © Армеев Г.А., Горковец Т.К., Ефимова Д.А., Шайтан К.В., Шайтан А.К., 20162016Армеев Г.А., Горковец Т.К., Ефимова Д.А., Шайтан К.В., Шайтан А.К.Armeev G.A., Gorkovets T.K., Efimova D.A., Shaitan K.V., Shaytan A.K.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/295

Обсуждаются методы построения трехмерных моделей ДНК в комплексе с белками с помощью компьютерного моделирования и непрямых методов изучения конформации макромолекул. Рассматриваются способы интерпретации экспериментальных данных, полученных непрямыми методами изучения трехмерной структуры биомолекул. Обсуждаются аспекты интеграции такого рода данных в процесс построения молекулярных моделей ДНК-белковых комплексов на основании геометрических характеристик ДНК. Предлагается алгоритм поиска конформации таких комплексов на основе данных экспериментов по ферстеровскому резонансному переносу энергии (FRET) и перекисному окислению ДНК (анализируемому с помощью метода гидроксильного футпринтинга), а также информации о локальной гибкости ДНК. Алгоритм апробирован на примере построения гипотетической модели ДНК в нуклеосоме, связанной с гистоном H1.

We discuss the question of constructing three-dimensional models of DNA complexed with proteins on the basis of computer modeling and indirect methods for studying the structure of macromolecules. We consider methods of interpreting the experimental data obtained by indirect methods for studying the three-dimensional structure of biomolecules. We discuss some aspects of the integration of such data in to the process of molecular models building (based on the geometric characteristics of DNA). We propose an algorithm for the estimation of protein-DNA complexes structure on the basis of information about the local DNA flexibility and experimental data obtained by Forster resonance energy transfer (FRET) and hydroxyl footprinting methods. Finally, we use this method for prediction of the hypothetical configuration of DNA in nucleosome bound with histone H1.

молекулярное моделированиеДНКFRETфутпринтингнуклеосомахроматин.molecular modelingDNAFRETfootprintingnucleosomeschromatinReferencesKornberg R.D. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA // Science. 1974. Vol. 184. N 4139. P. 868–871.Kornberg R.D. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA // Science. 1974. Vol. 184. N 4139. P. 868–871.Luger K., Mäder A.W., Richmond R.K., Sargent D.F., Richmond T.J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution // Nature. 1997. Vol. 389. N 6648. P. 251–260.Luger K., Mäder A.W., Richmond R.K., Sargent D.F., Richmond T.J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution // Nature. 1997. Vol. 389. N 6648. P. 251–260.Studitsky V.M., Clark D.J., Felsenfeld G. Overcoming a nucleosomal barrier to transcription // Cell. 1995. Vol. 83. N 1. P. 19–27.Studitsky V.M., Clark D.J., Felsenfeld G. Overcoming a nucleosomal barrier to transcription // Cell. 1995. Vol. 83. N 1. P. 19–27.Shaytan A.K., Landsman D., Panchenko A.R. Nucleosome adaptability conferred by sequence and structural variations in histone H2A-H2B dimers // Curr. Opin. Struct. Biol. 2015. Vol. 32. P. 48–57.Shaytan A.K., Landsman D., Panchenko A.R. Nucleosome adaptability conferred by sequence and structural variations in histone H2A-H2B dimers // Curr. Opin. Struct. Biol. 2015. Vol. 32. P. 48–57.Schalch T., Duda S., Sargent D.F., Richmond T.J. X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre // Nature. 2005. Vol. 436. N 7047. P. 138–141.Schalch T., Duda S., Sargent D.F., Richmond T.J. X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre // Nature. 2005. Vol. 436. N 7047. P. 138–141.Mueller-Planitz F., Klinker H., Becker P.B. Nucleosome sliding mechanisms: new twists in a looped history // Nat. Struct. Mol. Biol. 2013. Vol. 20. N 9. P. 1026–1032.Mueller-Planitz F., Klinker H., Becker P.B. Nucleosome sliding mechanisms: new twists in a looped history // Nat. Struct. Mol. Biol. 2013. Vol. 20. N 9. P. 1026–1032.Duyne V., Vinogradov S.A., Lampson M.A., Black B.E., Falk S.J., Guo L.Y., Sekulic N., Smoak E.M., Mani T., Logsdon G.A., Gupta K., Jansen L.E.T., Gregory D. CENP-C reshapes and stabilizes CENP-A nucleosomes at the centromere // Science. 2015. Vol. 348. N 6235. P. 699–703.Duyne V., Vinogradov S.A., Lampson M.A., Black B.E., Falk S.J., Guo L.Y., Sekulic N., Smoak E.M., Mani T., Logsdon G.A., Gupta K., Jansen L.E.T., Gregory D. CENP-C reshapes and stabilizes CENP-A nucleosomes at the centromere // Science. 2015. Vol. 348. N 6235. P. 699–703.Hayes J.J., Tullius T.D., Wolffe A.P. The structure of DNA in a nucleosome // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990. Vol. 87. N 19. P. 7405–7409.Hayes J.J., Tullius T.D., Wolffe A.P. The structure of DNA in a nucleosome // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990. Vol. 87. N 19. P. 7405–7409.Jain S.S., Tullius T.D. Footprinting protein-DNA complexes using the hydroxyl radical // Nat. Protoc. 2008. Vol. 3. N 6. P. 1092–1100.Jain S.S., Tullius T.D. Footprinting protein-DNA complexes using the hydroxyl radical // Nat. Protoc. 2008. Vol. 3. N 6. P. 1092–1100.Shaytan A.K., Armeev G.A., Goncearenco A., Zhurkin V.B., Landsman D., Panchenko A.R. Combined influence of linker DNA and histone tails on nucleosome dynamics as revealed by microsecond molecular dynamics simulations // J. Biomol. Struct. Dyn. 2015. Vol. 33. Suppl 1. P. 3.Shaytan A.K., Armeev G.A., Goncearenco A., Zhurkin V.B., Landsman D., Panchenko A.R. Combined influence of linker DNA and histone tails on nucleosome dynamics as revealed by microsecond molecular dynamics simulations // J. Biomol. Struct. Dyn. 2015. Vol. 33. Suppl 1. P. 3.Dickerson R.E., Bansal M., Calladine C.R., Diekmann S., Hunter W.N., Kennard O., von Kitzing E., Lavery R., Nelson H.C.M., Olson W.K. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters // J. Mol. Biol. 1989. Vol. 205. N 4. P. 787–791.Dickerson R.E., Bansal M., Calladine C.R., Diekmann S., Hunter W.N., Kennard O., von Kitzing E., Lavery R., Nelson H.C.M., Olson W.K. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters // J. Mol. Biol. 1989. Vol. 205. N 4. P. 787–791.Pronk S., Páll S., Schulz R., Larsson P., Bjelkmar P., Apostolov R., Shirts M.R., Smith J.C., Kasson P.M., van der Spoel D., Hess B., Lindahl E. GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit // Bioinformatics. 2013. Vol. 29. N 7. P. 845–854.Pronk S., Páll S., Schulz R., Larsson P., Bjelkmar P., Apostolov R., Shirts M.R., Smith J.C., Kasson P.M., van der Spoel D., Hess B., Lindahl E. GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit // Bioinformatics. 2013. Vol. 29. N 7. P. 845–854.Shadle S.E., Allen D.F., Guo H., Pogozelski W.K., Bashkin J.S., Tullius T.D. Quantitative analysis of electrophoresis data: novel curve fitting methodology and its application to the determination of a protein—DNA binding constant // Nucleic Acids Res. 1997. Vol. 25. N 4. P. 850–860.Shadle S.E., Allen D.F., Guo H., Pogozelski W.K., Bashkin J.S., Tullius T.D. Quantitative analysis of electrophoresis data: novel curve fitting methodology and its application to the determination of a protein—DNA binding constant // Nucleic Acids Res. 1997. Vol. 25. N 4. P. 850–860.Olson W.K., Gorin A.A., Lu X.-J., Hock L.M., Zhurkin V.B. DNA sequence-dependent deformability deduced from protein–DNA crystal complexes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. Vol. 95. N 19. P. 11163–11168.Olson W.K., Gorin A.A., Lu X.-J., Hock L.M., Zhurkin V.B. DNA sequence-dependent deformability deduced from protein–DNA crystal complexes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. Vol. 95. N 19. P. 11163–11168.Lu X., Olson W.K. 3DNA: a software package for the analysis, rebuilding and visualization of three-dimensional nucleic acid structures // Nucleic Acids Res. 2003. Vol. 31. N 17. P. 5108–5121.Lu X., Olson W.K. 3DNA: a software package for the analysis, rebuilding and visualization of three-dimensional nucleic acid structures // Nucleic Acids Res. 2003. Vol. 31. N 17. P. 5108–5121.Zhou B.-R., Feng H., Kato H., Dai L., Yang Y., Zhou Y., Bai Y. Structural insights into the histone H1-nucleosome complex // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. Vol. 110. N 48. P. 19390–19395.Zhou B.-R., Feng H., Kato H., Dai L., Yang Y., Zhou Y., Bai Y. Structural insights into the histone H1-nucleosome complex // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. Vol. 110. N 48. P. 19390–19395.Davey C.A., Sargent D.F., Luger K., Maeder A.W., Richmond T.J. Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution // J. Mol. Biol. Elsevier. 2002. Vol. 319. N 5. P. 1097–1113.Davey C.A., Sargent D.F., Luger K., Maeder A.W., Richmond T.J. Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution // J. Mol. Biol. Elsevier. 2002. Vol. 319. N 5. P. 1097–1113.Syed S.H., Goutte-Gattat D., Becker N., Meyer S., Shukla M.S., Hayes J.J., Everaers R., Angelov D., Bednar J., Dimitrov S. Single-base resolution mapping of H1–nucleosome interactions and 3D organization of the nucleosome // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. Vol. 107. N 21. P. 9620–9625.Syed S.H., Goutte-Gattat D., Becker N., Meyer S., Shukla M.S., Hayes J.J., Everaers R., Angelov D., Bednar J., Dimitrov S. Single-base resolution mapping of H1–nucleosome interactions and 3D organization of the nucleosome // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. Vol. 107. N 21. P. 9620–9625.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.