[論文レビュー] Allosteric interactions in a birod model of DNA

Jaspreet Singh, Prashant K. Purohit|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2018

Bacteriophages and microbial interactions参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非伸縮性のバックボーンと、塩基対相互作用を表す弾性ウェブを備えた弾性二重ヘリックスとしてのDNAのバイロッドモデルを提案し、変換的タンパク質-タンパク質相互作用を定量化する。タンパク質結合を局所的欠陥としてモデル化することで、距離とともに指数関数的に減衰し、10–11 bpの周期で振動する相互作用エネルギーを導出する。この結果は実験データと一致し、減衰長がDNAの機械的性質とGC含有量に依存することを示している。

ABSTRACT

Allosteric interactions between molecules bound to DNA at distant locations have been known for a long time. The phenomenon has been studied via experiments and numerical simulations, but a comprehensive understanding grounded in a theory of DNA elasticity remains a challenge. Here we quantify allosteric interactions between two entities bound to DNA by using the theory of birods. We recognize that molecules bound to DNA cause local deformations that can be captured in a birod model which consists of two elastic strands interacting via an elastic web representing the base-pairs. We show that the displacement field caused by bound entities decays exponentially with distance from the binding site. We compute the interaction energy between two proteins on DNA as a function of distance between them and find that it decays exponentially while oscillating with the periodicity of the double-helix, in excellent agreement with experiments. The decay length of the interaction energy can be determined in terms of the mechanical properties of the strands and the webbing in our birod model, and it varies with the GC content of the DNA. Our model provides a framework for viewing allosteric interactions in DNA within the ambit of configurational forces of continuum elasticity.

研究の動機と目的

• 連続体弾性論を用いて、DNA上に離れた位置に結合したタンパク質間の変換的相互作用を理論的枠組みで提示すること。
• 二つの結合タンパク質間の相互作用エネルギーが、その間隔およびDNAの機械的性質にどのように依存するかを定量化すること。
• 実験的に観察された相互作用エネルギーの距離依存的な周期的減衰を、静電的相互作用やDNAループの有無に依存せずに説明すること。
• 配列依存性、特にGC含有量が相互作用範囲をどのように調節するかを調査すること。
• 弾性固体における配置力とタンパク質-DNA相互作用を、DNAのバイロッドモデルを通じて結びつけること。

提案手法

• 塩基対相互作用を表す弾性ウェブで結ばれた二つの非伸縮性・非せん断性バックボーンを有するバイロッドとしてDNAをモデル化する。
• 微小変位および微小回転を記述するための変位場の仮定（式19）を用いる。
• ヘリックスの曲率と半径を境界条件として指定し、バイロッド系の支配方程式を解く。
• 二つの結合タンパク質間の相互作用エネルギーを、それらが誘発する弾性歪み場の重なりを分析することで、距離関数として計算する。
• 相互作用エネルギーの減衰長をバックボーンおよびウェブの弾性定数に関連させ、ATとGC塩基対の剛性差を反映するパラメータχを含む。
• 数値解法および固有値解析を用いて減衰長を抽出し、Kimら[4]の実験データと照合してモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNA上に離れた位置に結合した二つのタンパク質間の相互作用エネルギーは、その間隔にどのように依存するか？
• RQ2 実験的に観察された10–11 bp周期の相互作用エネルギーの周期的減衰の物理的起源は何か？
• RQ3 DNAのGC含有量は、変換的相互作用の範囲と強度にどのように影響するか？
• RQ4 局所的歪みを伴う連続体弾性モデルから、相互作用エネルギーの指数関数的減衰を導出できるか？
• RQ5 配置力の概念的枠組みが、DNAループや静電的相互作用を仮定せずに、タンパク質-DNAの変換的効果をどの程度説明できるか？

主な発見

• 二つのタンパク質がDNA上に結合している場合、相互作用エネルギーは距離とともに指数関数的に減衰し、χ = 1（GC豊富なDNAを表す）のとき約9塩基の減衰長を示す。
• 相互作用エネルギーは10–11塩基の周期で振動し、実験観察と一致する。この周期はDNAのヘリカル周期に起因する。
• 減衰長は塩基対ウェブの弾性定数が小さくなるほど増加し、AT豊富なDNA配列ではGC豊富な配列よりも長距離の変換的相互作用を示すことが示唆される。
• モデルは減衰長が剛性パラメータχに従って $ l_d ightarrow ext{const} imes ho^{-2/3} $ のべき乗則的依存性を予測し、実験およびシミュレーションの傾向と整合する。
• 相互作用エネルギーはイオン強度に依存しないため、観察された変換的効果が静電的相互作用ではなく、機械的歪みによって駆動されているという結論を支持する。
• モデルは実験的に測定された離反速度の距離依存性をうまく再現し、タンパク質-DNA相互作用のエネルギー的予測力の妥当性を検証した。