Protein-DNA interactions: statistical analysis of interatomic contacts in major and minor grooves

Abstract

The interactions between protein and DNA in essence underlie all processes in a living cell. Understanding the principles of specific recognition of DNA sites will open the way to understand how these processes are controlled and to interfere in their operation. In the paper we studied contacts between the protein and DNA at the atomic level in the structures of all the 3 518 proteinDNA complexes available in PDB by the Voronoi-Delaunay tessellation method. The method unambiguously defines contacts between atoms with out any parameters, and characterizes each contact by the distance between atoms and the contact area, which is determined by the corresponding face of the Voronoi polyhedron. It was shown that most contacts are formed between the protein atoms and the sugar phosphate backbone of the DNA (72.9 %). The contact with the atoms of the nucleic bases emerging into the grooves of DNA is 17.0 % for a major groove and 10.1 % for all atomic contacts for a minor groove. Totally, the interaction between protein atoms and nucleic base atoms accounts for 27.1 % of all contacts. Analysis of the accessible surface area of atoms in the major and the minor grooves showed a correlation with the num ber of contacts (coefficient of linear correlation 0.94 and 0.93, respectively), however, nucleic acid atoms forming hydrogen bonds make contacts more often than may be expected from statistical considerations. It was shown that conformationally stable peptides oc cur sometimes in the binding regions with DNA. Ana lysis of the residues in a predefined conformation in 3 518 proteinDNA complexes revealed 159 amino acid residues in a predefined βbend type I conformation, 15 residues in the conformation of βbend type I' , and 6 residues in the conformation of βbend type II. No residues in the conformation of βbend type II' were Взаимодействия между белком и ДНК по существу лежат в основе всех процессов, происходящих в живой клетке. Познание принци пов специфического распознавания сайтов ДНК позволит понять, как управляются эти процессы, и даст возможность сознательно вмешиваться в управление ими. В работе изучены методом Воро ного -Делоне контакты белокДНК на атомном уровне в структу рах 3 518 комплексов из PDB (все имеющиеся на май 2017 г.), содержа щих как белковые цепи, так и ДНК. Метод не содержит параметров и позволяет однозначно выявлять непосредственные контакты между атомами и характеризовать каждый контакт, помимо рас стояния между атомами, площадью контакта, определяемой соот ветствующей гранью полиэдра Вороного. Показано, что большая часть контактов образуется между атомами белка и атомами са ха рофосфатного остова ДНК (72.9 %). На контакты с атомами нуклеи новых оснований, выходящих в бороздки ДНК, приходится для большой бороздки 17.0 % и для малой бороздки 10.1 % от всех атомных контактов. Суммарно на взаимодействия между атомами белка и атомами нуклеиновых оснований приходится 27.1 % всех атомных контактов. Анализ площади доступной поверхности ато мов большой и малой бороздок показал, что она коррелирует с числом ...