[論文レビュー] Synergy between Protein Positioning and DNA Elasticity: Energy Minimization of Protein-Decorated DNA Minicircles

Nicolas Clauvelin, Wilma K. Olson|arXiv (Cornell University)|May 29, 2014

Bacteriophages and microbial interactions被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、空間的制約およびタンパク質結合制約のもとで、タンパク質修飾DNAミニサーキュラーの弾性エネルギーを最小化するための新しい数値最適化手法を提示する。配列依存性DNAの弾性およびタンパク質誘導性歪みを統合することで、機械的応力とタンパク質配置が共進化することを明らかにした：タンパク質はDNAの応力を調整して存在を発信する一方、応力は最適なタンパク質配置を決定する——特に円形DNAでは反対側配置が好まれる。

ABSTRACT

The binding of proteins onto DNA contributes to the shaping and packaging of the genome as well as to the expression of specific genetic messages. With a view to understanding the interplay between the presence of proteins and the deformation of DNA involved in such processes, we developed a new method to minimize the elastic energy of DNA fragments at the mesoscale level. Our method makes it possible to obtain the optimal pathways of protein-decorated DNA molecules for which the terminal base pairs are spatially constrained. We focus in this work on the deformations induced by selected architectural proteins on circular DNA. We report the energy landscapes of DNA minicircles subjected to different levels of torsional stress and containing one or two proteins as functions of the chain length and spacing between the proteins. Our results reveal cooperation between the elasticity of the double helix and the structural distortions of DNA induced by bound proteins. We find that the imposed mechanical stress influences the placement of proteins on DNA and that the proteins, in turn, modulate the mechanical stress and thereby broadcast their presence along DNA.

研究の動機と目的

• 空間的に制約された末端および結合タンパク質を有するDNAミニサーキュラーのエネルギー最小化配置を計算的に開発すること。
• ねじり応力からの機械的応力とタンパク質誘導性DNA変形が、タンパク質配置およびDNAトポロジーにどのように協同的に影響するかを調査すること。
• 構造的タンパク質（HU、Hbb、MatP）がDNAミニサーキュラーおよびループ形成に与える構造的影響をモデル化・分析すること。
• タンパク質結合がDNAの弾性を変化させ、遠隔位置のタンパク質結合部位に影響を与えることによって、DNA内で長距離機械的通信がどのように可能になるかを探索すること。
• タンパク質媒介DNAコンデンセーションおよびループ形成を染色体組織の文脈で研究するためのフレームワークを提供すること。応用はバイオ分子彫刻に向けられる。

提案手法

• 原点およびフレーム行列によって位置と向きが定義された剛体塩基対の列としてDNAを定式化する。
• 近接ネガティブモデルからのステップパラメータを用いて、配列依存性弾性エネルギーを組み込み、曲げ、ねじり、開口を含む。
• 境界条件およびタンパク質結合DNAセグメントに対する空間的制約を、非制約最適化フレームワーク内でのラグランジュ乗数を用いて課す。
• 数値最適化（例：Levenberg–Marquardt）を用い、境界およびタンパク質制約を満たしつつ、全弾性エネルギーを最小化する。
• タンパク質結合を、タンパク質誘導性歪み（キックや曲げなど）を模倣するDNAセグメントへの固定空間的制約としてモデル化する。
• 既知のタンパク質-DNA構造（例：MatPのPDB 3VEA）を用いて結果を検証し、最適化された構造を実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじり応力は、円形DNA上に1つまたは2つの構造的タンパク質を最適配置に与える影響は何か？
• RQ2 タンパク質誘導性DNA歪みとDNAの弾性が、ミニサーキュラーのグローバルコンformationを決定するためにどの程度協同的に働くか？
• RQ3 DNA内の機械的応力は長距離にわたり伝播し、遠隔部位のタンパク質結合親和性に影響を与えるか？
• RQ4 MatPによるDNAブリッジングが円形DNAに与える構造的およびエネルギー的結果は何か？また、ループの方向性と鎖長は安定性にどのように影響するか？
• RQ5 定期的に配置されたHbbタンパク質は、DNAをスーパーコイル構造にどのように凝縮させるか？また、その結果生じる機械的エネルギー状態はいかなるものか？

主な発見

• 2つのタンパク質を有するDNAミニサーキュラーの最適構造は反対側配置を好み、ねじり応力下で空間的分離を最大化し、弾性エネルギーを最小化する。
• Hbbなどのタンパク質は顕著なDNAコンデンセーションを誘導する：64個のHbbタンパク質を有する1280 bpプラスミドは、31.5 nmの円形スーパーセクターを形成し、繊維半径は3 nmであるのに対し、ヌードDNAでは69.2 nmおよび1 nmである。
• Hbbタンパク質間のリンクャー領域における弾性エネルギーは低く（0.19 kBT）、変形が最小限であることを示し、タンパク質誘導性ヘリカル組織が効率的なパッケージングを可能にしていると考えられる。
• Hbbタンパク質を有する最適化構造は中心コアを形成するが、結晶格子で観察されるジグザグスーパーコイル構造とは異なり、エネルギー最小化下での異なるパッケージングモードを示している。
• MatP誘導性ループは、平行および反平行両方向の配置で安定な構造を示し、異なる鎖長（177 bpおよび251 bp）が異なるループジオメトリを安定化させる。
• ねじりおよびタンパク質結合に起因する機械的応力は長距離通信を生じる：タンパク質は局所的弾性を調整することで、DNAに沿って存在を発信することができる。これは、テレスタビリティのメカニズムを示唆する。