БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 7, с. 809 - 820
УДК 577.218
КАТИОН-ПИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЗОНАХ КОНТАКТА РНК С БЕЛКАМИ*
© 2014 Хонггукун Цанг1, Шунхуа Ли1**, Фенг Янг1, Джиго Су2, Джанджун Тан1, Ксяойи Цанг1, Кунксин Ванг1**
1 College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; fax: (86)10-67392837, E-mail: chunhuali@bjut.edu.cn, cxwang@bjut.edu.cn
2 College of Science, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; E-mail: jiguosu@bjut.edu.cn
Поступила в редакцию 23.12.13 После доработки 31.03.14
Катион-пи взаимодействия играют важную роль при образовании белковых комплексов и комплексов белков с лигандами. В настоящей работе были проанализированы катион-пи взаимодействия в 282 различных зонах контакта РНК с белком. Согласно результатам статистического анализа такие взаимодействия обнаруживаются в 65% зон контакта. По склонности к участию в катион-пи взаимодействиях четыре основания РНК располагаются в следующем порядке: Gua > Ade > Ura > Cyt. Аминокислоты, вовлеченные во взаимодействия, располагаются следующим образом: Arg > Lys > Asn > Gln. Аналогичное распределение было получено в результате эмпирических расчетов энергии. Пара Arg—Gua обладает наибольшей стабильностью и чаще всего встречается. Число катион-пи пар с участием неспаренных оснований в 2,5 раза больше числа пар с участием спаренных оснований, то есть катион-пи взаимодействия зависят от последовательности и структуры компонентов. У бициклических оснований Gua и Ade пятичленные кольца участвуют в катион-пи взаимодействиях немного чаще, чем шестичленные кольца (в 54 и 46% случаев соответственно) за счет участия в катион-пи взаимодействиях (63%) пятичленных колец спаренных оснований. Полученные в этой работе данные дают общее представление о катион-пи взаимодействиях в зоне контакта РНК с белком и способствуют пониманию механизма специфического узнавания между РНК и белками.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: катион-пи взаимодействия, зона контакта РНК с белком, зависимость от последовательности и структуры, электростатическая энергия, ab initio.
РНК-белковые взаимодействия играют важную роль в процессе регуляции экспрессии генов. Эти взаимодействия представляют особый интерес для структурной биологии и биоинфор-матических исследований. Благодаря значительному прогрессу в последнее время, данные рентгеноструктурных исследований и ЯМР-спектроскопии охватили все основные классы РНК-белковых комплексов [1], что позволило нам приступить к исследованию основных свойств РНК-белковых взаимодействий.
Было показано, что некоторые нековалент-ные взаимодействия, как, например, свойственное некоторым основаниям образование водо-
Принятые сокращения: Benz — бензол, Ade — аде-нин, Gua — гуанозин, Ura — уридин, Cyt — цитидин.
* Первоначально английский вариант рукописи был опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow), Papers in Press, BM 13-354, 01.06.2014.
** Адресат для корреспонденции.
родных связей и неполярные контакты, важны для обеспечения специфичности РНК-белковых взаимодействий [2]. Катион-пи взаимодействия, как своего рода нековалентные взаимодействия, постепенно признаются как тип важных внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий. Было показано, что в биомолекулярных системах катион-пи взаимодействия могут быть очень сильными [3—5]. В некоторых случаях они сопоставимы с электростатическими взаимодействиями, силами Ван-дер-Ваальса и водородными связями [6]. Они вносят значительный вклад в сворачивание и стабильность белков [7—9], а также в обеспечение специфичности молекулярных взаимодействий [10—15]. Таким образом, катион-пи взаимодействия играют значительную роль и считаются одной из главных сил молекулярного узнавания [3, 16, 17].
В последние годы много внимания уделялось исследованиям катион-пи взаимодействий в белках, белок-белковых и ДНК-белковых
комплексах. Было показано, что в белках и белок-белковых комплексах катион-пи взаимодействия важны для обеспечения функциональности многих биологических систем, таких как ионные каналы [18], рецепторы, сопряженные с G-белком [19], переносчики [10, 13] и ферменты [20]. Галливан и Догерти [21] провели статистический анализ выборки из 68 белков и показали, что боковая цепь Arg, как катионная группа, принимает участие в катион-пи взаимодействиях в 2 раза чаще, чем боковая цепь Lys. Кроме того, было доказано, что электростатическая энергия катион-пи пар определяет их склонность к связыванию [22]. В случае ДНК-белковых комплексов катион-пи взаимодействия часто встречаются в зонах контакта ДНК с белком [23, 24]. Винтьенс [23] и Громиа [24] показали, что аминокислотные остатки и основания ДНК обладают различной склонностью к участию в катион-пи взаимодействиях. Arg и Lys, как доноры катионных групп, больше склонны к катион-пи взаимодействиям, чем Asn и Gln. Gua и Ade, как доноры ароматического кольца, благоприятны для взаимодействия по сравнению с Cyt и Thy. Кроме того, в случае бициклических оснований (Gua и Ade) почти 90% катион-пи взаимодействий затрагивает пятичленное кольцо.
Для РНК-белковых комплексов было опубликовано лишь несколько работ, посвященных рассмотрению основных свойств катион-пи взаимодействий в зоне контакта РНК с белком. Недавно была опубликована работа, посвященная рассмотрению статистических свойств катион-пи взаимодействий в 48 зонах контакта РНК с белком [25]. Количество структур РНК-белковых комплексов значительно меньше, кроме того, РНК и ДНК содержат сходный компонент. В последнее время количество доступных структур РНК-белковых комплексов значительно увеличилось, что дало нам возможность начать исследование общих свойств РНК-белковых взаимодействий. Несмотря на то, что последовательности РНК и ДНК сходны, их глобальная структура существенно различается. ДНК, как правило, представляет собой идеальную двуцепочечную спираль, тогда как структура РНК более сложная. В некоторых случаях РНК представляет собой одноцепочечную молекулу, но в большинстве случаев (особенно в рибосоме) структура РНК представлена правильными или неправильными A-спиралями и короткими одноцепочечными участками. Структурные различия могут обуславливать разную склонность этих молекул к образованию катион-пи взаимодействий с белком.
В настоящей работе мы проанализировали катион-пи взаимодействия в 282 различных зо-
нах контакта РНК с белком. Мы провели ab initio квантово-механические вычисления для комплексов Na+ — основание РНК. Полученные результаты позволили сравнить силу катион-пи взаимодействий с участием четырех различных оснований, с использованием бензола в качестве эталонной молекулы. На следующем этапе мы идентифицировали потенциальные катион-пи взаимодействия и рассчитали энергию эмпирически с тем, чтобы сравнить энергию связывания для различных катион-пи пар. Мы выявили ряд различий между катион-пи взаимодействиями в зонах контакта ДНК с белком и РНК с белком. Настоящая работа способствует пониманию физической природы катион-пи взаимодействий в зонах контакта РНК с белком.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Ab initio вычисления энергии взаимодействия для комплексов Na+ — основание РНК. Для получения базовых представлений о катион-пи взаимодействиях с участием оснований РНК мы проанализировали силу связывания в комплексах Na+ — основание РНК, используя в качестве эталона комплекс Na+—Benz. Для ab initio вычислений мы использовали набор программ Gaussian 03 [26]. Исходную геометрию молекулярных фрагментов, таких как бензол и отдельные ароматические кольца РНК оснований Ade, Cyt, Gua и Ura, вычисляли и оптимизировали по методу Хартри—Фока. Основную цепь заменяли метильной группой, ее присоединяли к N1 атому Cyt и Ura или к N9 атому Gua и Ade.
Na+ приближался к центру ароматического кольца перпендикулярно плоскости молекулы. dNa представляет собой расстояние между Na+ и ароматическим кольцом. Мы проанализировали оба кольца бициклических оснований (Ade, Gua). Для каждого случая энергию взаимодействия вычисляли на уровне HF/6-31G** на одномерной шкале с девятью точками, соответствующими расстоянию dNa в диапазоне 2—6 А. При приближении Na+ к ароматическому кольцу геометрию ароматической системы не оптимизировали, а оставляли без изменений в исходном оптимизированном равновесном положении. dmin_Na — значение d%a, при котором энергия взаимодействия минимальна. Этот метод был использован при исследовании катион-пи взаимодействий в ДНК-белковых комплексах [23].
На следующем этапе мы получили карты энергии взаимодействия в комплексах Na+ — ароматическое кольцо путем перемещения Na+ в плоскости, параллельной ароматическому кольцу, на фиксированном расстоянии dm,in-Na. Каж-
дую карту получали путем интерполяции энергии взаимодействия, вычисленной в узлах квадратной решетки из 100 х 100 точек, соответствующих положению Na+ в плоскости, параллельной ароматическому кольцу. Центр квадратной решетки расположили в барицентре ароматической системы, размер квадрата составил 8 х 8 А. Энергию взаимодействия вычисляли с использованием метода DFT (от англ. Density Functional Theory, теории функционала плотности) с наибольшим 6—31++G** базисом и корректировали с учетом BSSE (Basis Set Superposition Error, суперпозиционная ошибка базисных наборов), используя стандартный метод противовеса. Энергию взаимодействия AEDFT вычисляли по формуле:
AëDft = E(A—B) - E (A; A-gB) - E (B; gA-B), (1)
где E(A - B) - энергия комплекса A-B, а E(A; A - gB) - энергия отдельной молекулы A, вычисленная в присутствии тени B, которая определена базисным набором, но не содержит ни электрона, ни протона.
Определение катион-пи взаимодействий. Для выявления потенциальных катион-пи взаимодействий в зонах контактов РНК с белком мы использовали геометрическое определение катион-пи взаимодействий, предложенное ранее при исследовании ДНК-белковых контактов [23]. Это определение, описывающее дистан-
Рис. 1. Геометрические критерии, использованные для выявления потенциальных катион-пи взаимодействий между положительно заряженными группами и ароматическими пи-системами. Точки р и п обозначают катионный заряд и атом аромат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.