[論文レビュー] Counterion atmosphere around DNA double helix: trapping of counterions at the nanoscale

Sergiy Perepelytsya, Oleksii Zdorevskyi|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2022

Electrostatics and Colloid Interactions参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、反イオン凝縮理論に基づく解析的モデルを構築し、B型DNAのヘリックス溝内にモノアセチル反イオン（K+）がどのように捕らえられるかを予測した。その結果、リン酸基1つあたり0.16〜0.43の反イオンが二重らせん内部に捕らえられることが示された。分子動力学シミュレーションでも同様の結果が得られ、リン酸基1つあたり0.22 ± 0.06の反イオンが溝内に局在した。これは、特定のイオン-DNA相互作用により、反イオンクラウドが溝内に密度が高くなる非均一な分布を示していることを裏付けている。

ABSTRACT

DNA is strong polyelectrolyte macromolecule making metal ions (counterions) condense to a cloud around the double helix. The counterions may be localized outside the macromolecule and inside the minor and major grooves of the double helix. In the present work, the distribution of condensed counterions between inner and outer regions of DNA has been studied using the approaches of counterion condensation theory. The results have shown that the number of counterions trapped inside the macromolecule should be greater than 0.16 per one phosphate group. The maximal number of counterions that may be localized inside the DNA double helix is limited to about 0.4 per one phosphate group and it is much lower than the total number of condensed counterions. To analyze the structure of counterion cloud the molecular dynamics simulations of \emph{B}-DNA with K$^{+}$ counterions have been performed. The obtained number of the counterions trapped inside the grooves of the double helix is about 0.22$\pm$0.06 per one phosphate group that agree with the model estimations. The developed model describes general features of the structure of counterion cloud around DNA and is able to predict the number of counterions inside the grooves of the double helix.

研究の動機と目的

• DNA周囲の反イオンの非均一分布、特に溝内に捕らえられる割合と外側のクラウドに存在する割合を理解すること。
• 標準的な反イオン凝縮理論を超えて、DNAの溝内におけるイオン捕らえを説明する理論的モデルを構築すること。
• B型DNAとK+反イオンを用いた分子動力学シミュレーションを用いて、モデルを検証すること。
• 全凝縮反イオンに対する、小分子溝および大分子溝に局在する反イオンの数を定量すること。

提案手法

• マンニングの反イオン凝縮理論を拡張し、DNAの溝内におけるイオンの捕らえに寄与する捕らえエネルギー項を導入した。
• 静電的およびエントロピー的自由エネルギー寄与を用いて、二重らせん内部および外部に凝縮する反イオンの割合を解析的に導出した。
• DNA周囲の静電ポテンシャルおよびイオン分布をモデル化するために、ポisson-Boltzmannフレームワークを用いた。
• 水分子を明示的に含む全原子分子動力学シミュレーションを用いて、イオンの留まり時間および空間的分布を計算した。
• ヘリックス軸からの距離および溝特有の領域（小分子溝／大分子溝）に基づいて、イオンの局在を定義した。
• シミュレーション結果とモデル予測を比較することで、捕らえのメカニズムを検証し、捕らえられる反イオンの範囲を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝縮した反イオンのうち、何パーセントがDNA二重らせんの溝内に捕らえられているのか、外側のクラウドに存在するのか？
• RQ2 DNAの溝内におけるイオン捕らえを考慮するには、反イオン凝縮モデルをどのように修正する必要があるか？
• RQ3 B型DNAの溝内に、リン酸基1つあたり何個のK+イオンが局在しているか、定量的に特定できるか？
• RQ4 イオンの留まり時間および水和状態は、DNAの溝内における反イオンの局在にどのように影響するか？
• RQ5 ヌクレオチド配列（A-T対比G-C対）は、反イオン分布にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• モデルは、リン酸基1つあたり0.16〜0.43の反イオンがDNA二重らせんの溝内に捕らえられると予測した。
• 分子動力学シミュレーションでは、リン酸基1つあたり平均0.22 ± 0.06のK+イオンが溝内に局在した。これはモデルの予測と良好に一致した。
• 溝内に捕らえられる反イオンの数は、全凝縮反イオン（リン酸基1つあたり0.76）よりも顕著に少ないため、非均一な分布が生じていることが示された。
• 小分子溝内の反イオンは大分子溝内の反イオンよりもヘリックス軸に近いが、両溝におけるリン酸基1つあたりの平均数はほぼ同等であった。
• A-Tを多く含む領域では、G-Cを多く含む領域よりも反イオンの数が多く、これは小分子溝が狭いためにイオン親和性が高まっているためとされた。
• シミュレーション結果は、反イオンクラウドが外側の領域よりも溝内に密度が高くなることを確認しており、モデルのイオン捕らえの予測を支持した。