[論文レビュー] Coarse-grained modelling of strong DNA bending I: Thermodynamics and comparison to an experimental "molecular vice"

Ryan M. Harrison, Flavio Romano+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2015

Bacteriophages and microbial interactions参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、oxDNAの粗粒度モデルを用いて強いDNAの曲げを調査し、極めて曲げられたDNAの構成が、塩基対合やスターリングが破壊される局所的キッキング—すなわち一様な曲げよりも好ましい—ことを明らかにした。キッキング状態は、曲げエネルギーを最小化するものであり、実験で観察された柔軟性の向上、特にマolecule viceの挙動を説明でき、末端間距離やキッキング確率に関する実験データと強く整合している。

ABSTRACT

DNA bending is biologically important for genome regulation and is relevant to a range of nanotechnological systems. Recent results suggest that sharp bending is much easier than implied by the widely-used worm-like chain model; many of these studies, however, remain controversial. We use a coarse-grained model, previously fitted to DNA's basic thermodynamic and mechanical properties, to explore strongly bent systems. We find that as the end-to-end distance is decreased sufficiently short duplexes undergo a transition to a state in which the bending strain is localized at a flexible kink that involves disruption of base-pairing and stacking. This kinked state, which is not well-described by the worm-like chain model, allows the duplex to more easily be sharply bent. It is not completely flexible, however, due to constraints arising from the connectivity of both DNA backbones. We also perform a detailed comparison to recent experiments on a "molecular vice" that probes highly bent DNA. Close agreement between simulations and experiments strengthens the hypothesis that localised bending via kinking occurs in the molecular vice and causes enhanced flexibility of duplex DNA. Our calculations therefore suggests that the cost of kinking implied by this experiment is consistent with the known thermodynamic and mechanical properties of DNA.

研究の動機と目的

• Worm-like chain (WLC)モデルの限界を超えて、強く曲げられたDNA構成の熱力学的理解を図ること。
• 局所的キッキング—塩基対合やスターリングが破壊されるもの—が、実験的に観察されたDNAの超WLC的柔軟性を説明できるかを調査すること。
• Fieldsらの最新のマolecule vice系からの実験データと比較することで、キッキング仮説の妥当性を検証すること。
• 短いDNA二重ヘリックスにおけるキッキング形成に伴う自由エネルギーのコストと構造的遷移を定量すること。
• キッキングが連続的曲げを上回るようになるDNA系の長さおよび配列の条件を特定すること。

提案手法

• DNAの熱力学的性質、機械的性質、配列依存性を捉えることができるoxDNAの粗粒度モデルを採用した。
• アンビュラ・サンプリングと自由エネルギー計算を用いて、末端間距離を関数とする曲げ自由エネルギーを計算した。
• 50%の構成で塩基対合やスターリングが破壊されている状態を基準に、キッキング状態を特定するためのエネルギー的検出器を適用した。
• キッキング、ファイリング、アンズィッピング遷移を調査するため、可変なループ長および二重ヘリックス長を用いたマolecule viceの設定をシミュレーションした。
• 塩基対合の弱体化がキッキング傾向に与える影響を評価するため、温度依存性のシミュレーションを実施した。
• Fieldsらの実験データと比較して、シミュレーションによる構造的性質（例：末端間距離、キッキング確率）の分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNAにおける局所的キッキングは、マolecule viceのような実験系で観察された柔軟性の向上を説明できるか？
• RQ2 短いDNA二重ヘリックスにおけるキッキング形成の熱力学的コストは何か？ また、WLC予測と比較するとどうなるか？
• RQ3 キッキング形成は、DNAの長さ、配列、およびミスマッチやニックスなどの構造的欠陥にどのように依存するか？
• RQ4 DNA二重ヘリックスにおいて、連続的曲げからキッキング状態への遷移が発生する末端間距離はどの程度か？
• RQ5 温度および塩基対合の安定性は、強く曲げられたDNAにおけるキッキングの可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 塩基対合やスターリングの局所的破壊を伴うキッキング状態は、短い末端間距離においてエネルギー的に有利となり、極めて曲げられたDNA構成を可能にする。
• 平均的な塩基配列では、キッキング遷移の中間点は末端間距離約18.0 Åで発生し、その曲げ自由エネルギーは18.0 kcal/molである。
• 28-bp二重ヘリックスでは、キッキングはポリ(AT)配列で最も有利（ΔG_trans = 14.8 kcal/mol）、ポリ(GC)配列で最も不利（ΔG_trans = 21.1 kcal/mol）である。
• マolecule viceでは、中程度のループ長（N_loop ≈ 30）でキッキング状態が支配的となるが、短い長さではアンズィッピングやファイリングが支配的になる。
• N_dup = 88 bpでは、キッキング確率が2%未満に低下し、長さが増加するに従い連続的曲げに移行することが示された。
• 45 °Cでは、マolecule viceにおいてキッキングは無視できるほど小さく、塩基対合の弱体化がアンズィッピングをキッキングよりも促進することが実験と整合している。