[論文レビュー] Coarse-grained modelling of strong DNA bending II: Cyclization

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

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 61被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、粗粒度モデル oxDNA を用いて 210 bp 未塔の短い DNA 片断における DNA 環化の熱力学を調査し、Worm-like chain (WLC) モデルの予測からのずれが、主に二重鎖の内在的曲げによるものではなく、ニックス部における曲げおよび最短分子における末端の解離（fraying）に起因することを明らかにした。FRET 実験における動的 j 要因は、遷移状態における応力の完全な発現が不十分であるため、平衡 j 要因よりも系統的に高い値を示す。

ABSTRACT

DNA cyclization is a powerful technique to gain insight into the nature of DNA bending. The worm-like chain model provides a good description of small to moderate bending fluctuations, but some experiments on strongly-bent shorter molecules suggest enhanced flexibility over and above that expected from the worm-like chain. Here, we use a coarse-grained model of DNA to investigate the thermodynamics of DNA cyclization for molecules with less than 210 base pairs. As the molecules get shorter we find increasing deviations between our computed equilibrium j-factor and the worm-like chain predictions of Shimada and Yamakawa. These deviations are due to sharp kinking, first at nicks, and only subsequently in the body of the duplex. At the shortest lengths, substantial fraying at the ends of duplex domains is the dominant method of relaxation. We also estimate the dynamic j-factor measured in recent FRET experiments. We find that the dynamic j-factor is systematically larger than its equilibrium counterpart, with the deviation larger for shorter molecules, because not all the stress present in the fully cyclized state is present in the transition state. These observations are important for the interpretation of recent experiments, as only kinking within the body of the duplex is genuinely indicative of non-worm-like chain behaviour.

研究の動機と目的

• 短い DNA フラグメント（<210 bp）における DNA 環化の熱力学を、粗粒度 oxDNA モデルを用いて調査すること。
• 強い曲げを示す DNA における環化効率の WLC 予測からのずれの原因を特定すること。
• 短い DNA 分子における曲げ応力の緩和機構として、ニックス部の曲げ、二重鎖の曲げ、および末端の解離を区別すること。
• 最近の FRET 実験を踏まえて、平衡 j 要因と動的 j 要因の違いを比較すること。
• 環化過程におけるスティッキー末端のハイブリダイゼーションをモデル化する際のキャプチャ半径仮定の妥当性を評価すること。

提案手法

• DNA 長さの範囲（N_bp < 210 bp）における DNA 環化を、oxDNA の粗粒度モデルを用いてシミュレーションした。
• 構成的サンプリングを用いて、環化の自由エネルギーから平衡 j 要因を計算した。
• リガーゼの動力学を考慮して、環化の遷移状態障壁を推定することで、動的 j 要因を計算した。
• Q_bp = 1 のときの二重鎖領域の最初と最後の塩基間の距離をキャプチャ半径として定義し、フリーリングを考慮するためのヌクレオチド位置を用いた。
• アンサンブル平均を用いてキャプチャ半径の分布を解析し、DNA 長さに依存するその依存性を評価した。
• Shimada と Yamakawa の WLC 予測および実験的 FRET データと比較して、シミュレーション結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Worm-like chain モデルからのずれが、DNA 環化において顕著になる DNA 長さはどの程度か？
• RQ2 短い DNA 分子における曲げ応力の緩和機構として、ニックス、二重鎖の曲げ、または末端の解離のうち、どれが支配的か？
• RQ3 短い DNA 環化において、平衡 j 要因と動的 j 要因の違いは何か？その原因は何か？
• RQ4 スティッキー末端の有限サイズ（キャプチャ半径でモデル化）が、環化効率の予測にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 10塩基のスティッキー末端に対して、一般的に用いられる 5 nm のキャプチャ半径は、oxDNA シミュレーションと整合性があるか？

主な発見

• 平衡 j 要因における WLC 予測からのずれは、約 100 bp 未塔の長さで顕著に現れ、主に二重鎖の内在的曲げではなく、ニックス部における曲げに起因する。
• 最も短い DNA 分子（N_bp < 40）では、末端の解離（fraying）が主な緩和機構となり、顕著に曲げ応力を低減する。
• 動的 j 要因は、平衡 j 要因よりも系統的に大きく、短い DNA 長さにおいてその差が大きくなる。これは、遷移状態における応力の完全な発現が不十分であるためである。
• アンサンブル平均のキャプチャ半径 ⟨R_capture⟩ は、N_bp ≈ 100–200 の範囲で約 4 nm であり、実験的解釈で一般的に用いられる 5 nm 値と整合的である。
• R_capture の分布は、長さにかかわらずほぼガウス分布に近く、標準偏差も同程度であるため、キャプチャ半径の推定値は頑健であることが示された。
• 二重鎖本体内部での曲げのみが、DNA 曲げにおける非 WLC 行動を示す指標である。