[論文レビュー] Single DNA conformations and biological function

Ralf Metzler, Tobias Ambjoernsson+3 more|ArXiv.org|Sep 15, 2006

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本レビューでは、ループ形成、ねじれ、ナノバブル形成といった単一DNAの構造的形状が、遺伝子調節、標的探索効率、転写開始といった重要な生物学的機能をどのように規定するかを検討する。統計力学と高分子物理学を統合することで、エントロピー駆動のループ形成や確率的塩基対解離といったDNAの固有の物理的性質が、単一分子レベルにおける強固で効率的な生物学的プロセスを可能にすることを示している。

ABSTRACT

From a nanoscience perspective, cellular processes and their reduced in vitro imitations provide extraordinary examples for highly robust few or single molecule reaction pathways. A prime example are biochemical reactions involving DNA molecules, and the coupling of these reactions to the physical conformations of DNA. In this review, we summarise recent results on the following phenomena: We investigate the biophysical properties of DNA-looping and the equilibrium configurations of DNA-knots, whose relevance to biological processes are increasingly appreciated. We discuss how random DNA-looping may be related to the efficiency of the target search process of proteins for their specific binding site on the DNA molecule. And we dwell on the spontaneous formation of intermittent DNA nanobubbles and their importance for biological processes, such as transcription initiation. The physical properties of DNA may indeed turn out to be particularly suitable for the use of DNA in nanosensing applications.

研究の動機と目的

• 単一DNA分子の物理的形状が遺伝子調節や標的探索といった生物学的プロセスに与える影響を理解すること。
• 転写因子が特定の結合部位を効率的に探索するプロセスにおいて、DNAループ形成が果たす役割を調査すること。
• DNAのねじれの熱力学的およびエントロピー的起源を分析し、そのリプリケーションや転写に与える影響を検討すること。
• 自発的なDNAナノバブル（バキューム）の形成とその転写開始およびタンパク質結合への役割を検討すること。
• DNAの構造的ダイナミクスと生体内・非生体内での機能的結果を結びつける理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• DNAの解離および確率的バブルダイナミクスを記述するためのPoland-Scheragaモデルの適用。
• DNAバキュームおよびタンパク質結合動力学の確率的シミュレーションに、マスター方程式およびGillespieアルゴリズムの使用。
• 自己回避ウォークおよび臨界指数（2次元ではν ≈ 0.75、3次元ではν ≈ 0.588）を用いた高分子物理学モデルによるDNA形状の記述。
• 構造的エントロピー挙動を記述するための構成指数γGとスケーリング関数YGを用いたDNA構造のネットワーク位相の分析。
• 2次元および3次元におけるエントロピックなねじれのシミュレーション、平坦および密度の高い相の挙動を含み、トポロジカル制約に注目。
• 溶媒条件の変化に応じた高分子挙動を記述するためのΘ点および密度相モデルの使用、γG = 1 − dνL + ΣnNσN。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNAループ形成は、DNA上での転写因子の標的探索効率をどのように向上させるか？
• RQ2 DNAのねじれのエントロピック的および機械的起源は何か？ そして、リプリケーションや転写といった生物学的機能に与える影響は？
• RQ3 局所的なDNA塩基対解離領域（ナノバブル）はどのように形成され、転写開始およびタンパク質結合にどのように影響を与えるか？
• RQ4 トポロジカル制約および高分子ネットワーク構造は、DNAの構造的エントロピーにどのように寄与するか？
• RQ5 高分子物理学における臨界指数およびスケーリング則は、生物学的環境下におけるDNAの物理的挙動にどのように適用可能か？

主な発見

• DNAループ形成により、1次元拡散が可能になり、長距離相互作用が促進され、標的探索プロセスが顕著に高速化される。
• 3次元ではγG = 1.16、2次元ではγG = 1.33であり、DNAネットワークのエントロピーを支配する。γGはループ数および頂点位相に依存する。
• 2次元におけるΘ点では、ネットワーク指数γ̄G = 1 − dνL + ΣnNσ̄Nで記述され、ν = 4/7、σ̄N = (2−N)(2N+1)/42 であり、高分子ネットワークにおける臨界挙動を記述する。
• DNAナノバブルは熱揺らぎによって確率的に形成され、マスター方程式およびGillespieアルゴリズムによって制御されるダイナミクスにより、通常は到達不可能な部位への転写因子のアクセスが可能になる。
• 図8字型スリップリンクにおけるエントロピック局在化は、安定なねじれ構造を生じさせ、構成数はωG ∼ μ^L s_N^{γ_G} Y_G(s1/sN, ..., s_{N-1}/sN) に比例する。
• 密度の高い2次元相では、ωG ∼ ω0(L) s_N^{γ_G} であり、ω0(L) ∼ μ^L L^{Ψ−1} で、周期的境界条件ではΨ = 1 である。これはトポロジカル普遍性を示唆する。