[論文レビュー] Tautomeric Transitions in DNA

V. L. Golo, Yu. S. Volkov|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2001

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、DNA塩基対におけるトアウトロープ的遷移を、量子的プロトントンネルと古典的弾性DNAダイナミクスを組み合わせたソリトンに基づくモデルを提案する。数値的解析により、離散的ブレーバー（ソリトンに類似した励起状態）が約1 μsの間に変異を起こしやすい状態を集中させることを示し、プロトントンネル周波数における赤外線照射が一時的なトアウトロープ的状態を安定化させることで変異を誘発する可能性があると示唆している。

ABSTRACT

We study the tautomeric transitions in base pairs of DNA considering elastic properties of DNA as classical and tunneling of protons as quantum, and show that the dynamics of the transitions admits of soliton like solutions whose shape and size strongly depend on the structure of the double helix. In particular, we have found that the set of discrete breathers can be drastically modified by the interplay of the torsional and elastic constants. Our results may have a bearing upon substitution mutagenesis within the framework of Watson-Crick's approach, and in this respect the breather soliton could describe conformations corresponding to point mutations. The numerical simulation of soliton dynamics suggests that an initial distribution of base pairs with low probability of mutation per pair but of a sufficiently large number of base pairs involved, could move and gather around a site so as to form a set of base pairs with high probability of mutation, for a period of time approximately 1 musec. We suggest that the irradiation of DNA at frequencies of the proton tunneling, that is in infra-red region, could cause mutations.

研究の動機と目的

• DNA塩基対におけるトアウトロープ的遷移と二重ヘリックスの弾性特性の相乗作用を調査すること。
• 量子的プロトントンネルと古典的弾性が、DNAにおける変異ダイナミクスにどのように寄与するかをモデル化すること。
• 局所的ソリトンに類似した励起状態（離散的ブレーバー）が、DNAにおける変異を起こしやすい状態を集中させられるかを検討すること。
• 赤外線照射がトアウトロープ的遷移およびそれによる変異を誘発する可能性を評価すること。
• 低確率のトアウトロープ的状態の局所的集中をソリトン媒介によって説明する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 塩基対内の水素結合を介した量子的プロトントンネルとしてトアウトロープ的遷移をモデル化する。
• DNAの弾性を古典的に取り扱い、ねじり定数および弾性定数を系のダイナミクスに組み込む。
• 放射能フィルタリング（RF）アルゴリズムを用いて、時間発展する波束から安定なソリトンに類似した解を数値的に抽出する。
• 放射エネルギー損失を抑制するためにRFアルゴリズムを繰り返し適用し、放射を最小限に抑えたソリトン解に収束させる。
• 長波長近似を用いて、ソリトン振幅の非線形シュレーディンガー型方程式を導出する。
• 得られた非線形関数方程式に対して、ニュートン・ラプソン法を用いて振幅分布を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトントンネルと弾性DNAダイナミクスの相互作用によって、DNA内にソリトンに類似した解が出現するか？
• RQ2 ねじり定数および弾性定数は、DNA内での離散的ブレーバーの形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ3 初期に低確率であったトアウトロープ的状態が、局所的集中によって高確率の変異部位を形成できるか？
• RQ4 このような集中が発生する時間スケールは何か？ また、生物学的変異プロセスと整合的か？
• RQ5 プロトントンネル周波数における赤外線照射が、トアウトロープ的遷移を誘発し、結果として変異を引き起こす可能性はあるか？

主な発見

• DNAにおけるトアウトロープ的遷移のダイナミクスは、二重ヘリックスのねじり定数および弾性定数に強く依存するソリトンに類似した解の存在を支持する。
• 数値的シミュレーションにより、初期に低確率であったトアウトロープ的状態が約1 μsの間に局所的で高確率の変異部位に集中することが示された。
• DNA系における離散的ブレーバーは、ねじりおよび弾性特性の相互作用によって著しく変化し、変異を起こしやすいコンformationの局所的励起を可能にする。
• 放射能フィルタリング（RF）アルゴリズムは、放射エネルギー損失を抑制することでソリトン解を的確に抽出でき、計算された励起状態の安定性を裏付けた。
• モデルは、水素結合内でのプロトントンネル周波数と一致する赤外線照射が、トアウトロープ的遷移を誘発し、結果として変異を引き起こす可能性があると示唆している。
• 局所的で長寿命の励起状態がコンformationの集中を誘発するという事実から、Watson-Crickのトアウトロープ的変異仮説を支持する結果が得られた。