How can I mutate cytosine to 5-methylcytosine

[xiangjun]

Methylation of cytosines in DNA is a crucial epigenetic modification that regulate expression of many genes. Chemically, it is the addition of a methyl group to the 5 position of cytosine (C).

The mutate_bases program in 3DNA v2.x performs in silico base mutations given a nucleic acid structure in PDB format. It is not a problem to mutate any C to a 5-methylcytosine (5CM) provided that users set a 5CM in its standard base reference frame. Given the importance of 5CM in epigenetics and the increasing simulation studies to understand its effects, I have included Atomic_5CM.pdb in the 3DNA v2.1 distribution as of 2012oct26.

According to PDB, the three-letter nucleotide name for 5-methylcytosine is 5CM instead of 5MC -- see for example PDB entries 4mht and 2uz4. The methyl carbon is named " C5A" instead of " C5M" or " C7 ". Thus, the content of the Atomic_5CM.pdb file is:

Code: [Select]

REMARK    3DNA by Dr. Xiang-Jun Lu [2012-10-26] (xiangjun@x3dna.org)
ATOM      1  C1' 5CM A   1      -2.477   5.402   0.000  1.00  0.00           C 
ATOM      2  N1  5CM A   1      -1.285   4.542   0.000  1.00  0.00           N 
ATOM      3  C2  5CM A   1      -1.472   3.158   0.000  1.00  0.00           C 
ATOM      4  O2  5CM A   1      -2.628   2.709   0.001  1.00  0.00           O 
ATOM      5  N3  5CM A   1      -0.391   2.344   0.000  1.00  0.00           N 
ATOM      6  C4  5CM A   1       0.837   2.868   0.000  1.00  0.00           C 
ATOM      7  N4  5CM A   1       1.875   2.027   0.001  1.00  0.00           N 
ATOM      8  C5  5CM A   1       1.056   4.275   0.000  1.00  0.00           C 
ATOM      9  C5A 5CM A   1       2.466   4.961   0.001  1.00  0.00           C 
ATOM     10  C6  5CM A   1      -0.023   5.068   0.000  1.00  0.00           C 
END
With this new addition, it is now very straightforward to mutate Cs to 5CMs with mutate_bases, as illustrated by the following two examples:

• Mutate C1 on chain A and C23 on chain B of the Dickerson B-DNA dodecamer (PDB entry 355d) to 5CMs:
  

  mutate_bases 'chain=A snum=1 m=5CM; chain=B snum=23 m=5CM' 355d.pdb 355d_AC1BC23_5CM.pdb

• Mutate C2 on chain A of the yeast phenylalanine tRNA (PDB entry 6tna) to 5CM:
  

  mutate_bases 'chain=A snum=2 name=C m=5CM' 6tna.pdb 6tna_C2_5CM.pdb

The mutated files 355d_AC1BC23_5CM.pdb and 6tna_C2_5CM.pdb are attached for your verification. For comparison, shown below are the original atomic coordinates of the above tRNA 6tna cytosine and coordinates of its 5CM mutant in red. Note that the coordinates of the backbone atoms are the same, and coordinates of common base atoms are very close.

• The original atomic coordinates of a cytosine from PDB entry 6tna:
  --------------------------------------------------------------------------------
  ATOM     25  P     C A   2      31.659  20.469  70.978  1.00 10.00           P  
  ATOM     26  OP1   C A   2      32.973  21.044  71.364  1.00 10.00           O  
  ATOM     27  OP2   C A   2      30.973  21.143  69.849  1.00 10.00           O  
  ATOM     28  O5'   C A   2      31.815  18.912  70.652  1.00 10.00           O  
  ATOM     29  C5'   C A   2      30.629  18.184  70.293  1.00 10.00           C  
  ATOM     30  C4'   C A   2      30.507  16.914  71.139  1.00 10.00           C  
  ATOM     31  O4'   C A   2      29.293  17.051  71.947  1.00 10.00           O  
  ATOM     32  C3'   C A   2      30.455  15.607  70.367  1.00 10.00           C  
  ATOM     33  O3'   C A   2      31.724  14.971  70.316  1.00 10.00           O  
  ATOM     34  C2'   C A   2      29.411  14.815  71.146  1.00 10.00           C  
  ATOM     35  O2'   C A   2      29.987  14.227  72.301  1.00 10.00           O  
  ATOM     36  C1'   C A   2      28.473  15.927  71.630  1.00 10.00           C  
  ATOM     37  N1    C A   2      27.474  16.346  70.621  1.00 10.00           N  
  ATOM     38  C2    C A   2      26.658  15.368  70.068  1.00 10.00           C  
  ATOM     39  O2    C A   2      26.802  14.198  70.441  1.00 10.00           O  
  ATOM     40  N3    C A   2      25.726  15.730  69.143  1.00 10.00           N  
  ATOM     41  C4    C A   2      25.601  17.008  68.767  1.00 10.00           C  
  ATOM     42  N4    C A   2      24.682  17.314  67.872  1.00 10.00           N  
  ATOM     43  C5    C A   2      26.436  18.041  69.324  1.00 10.00           C  
  ATOM     44  C6    C A   2      27.351  17.658  70.243  1.00 10.00           C  
  --------------------------------------------------------------------------------
  The coordinates of the mutant 5-methylcytosine generated by 'mutate_bases'
  REMARK    Mutation#1 A:...2@:[..C] to [5CM]
  ATOM     25  P   5CM A   2      31.659  20.469  70.978  1.00 10.00           P  
  ATOM     26  OP1 5CM A   2      32.973  21.044  71.364  1.00 10.00           O  
  ATOM     27  OP2 5CM A   2      30.973  21.143  69.849  1.00 10.00           O  
  ATOM     28  O5' 5CM A   2      31.815  18.912  70.652  1.00 10.00           O  
  ATOM     29  C5' 5CM A   2      30.629  18.184  70.293  1.00 10.00           C  
  ATOM     30  C4' 5CM A   2      30.507  16.914  71.139  1.00 10.00           C  
  ATOM     31  O4' 5CM A   2      29.293  17.051  71.947  1.00 10.00           O  
  ATOM     32  C3' 5CM A   2      30.455  15.607  70.367  1.00 10.00           C  
  ATOM     33  O3' 5CM A   2      31.724  14.971  70.316  1.00 10.00           O  
  ATOM     34  C2' 5CM A   2      29.411  14.815  71.146  1.00 10.00           C  
  ATOM     35  O2' 5CM A   2      29.987  14.227  72.301  1.00 10.00           O  
  ATOM     36  C1' 5CM A   2      28.473  15.927  71.630  1.00 10.00           C  
  ATOM     37  N1  5CM A   2      27.475  16.353  70.620  1.00  1.00           N  
  ATOM     38  C2  5CM A   2      26.651  15.372  70.062  1.00  1.00           C  
  ATOM     39  O2  5CM A   2      26.789  14.195  70.427  1.00  1.00           O  
  ATOM     40  N3  5CM A   2      25.726  15.730  69.141  1.00  1.00           N  
  ATOM     41  C4  5CM A   2      25.610  17.009  68.776  1.00  1.00           C  
  ATOM     42  N4  5CM A   2      24.685  17.316  67.863  1.00  1.00           N  
  ATOM     43  C5  5CM A   2      26.437  18.028  69.328  1.00  1.00           C  
  ATOM     44  C5A 5CM A   2      26.359  19.547  68.947  1.00  1.00           C  
  ATOM     45  C6  5CM A   2      27.347  17.660  70.238  1.00  1.00           C