[논문 리뷰] Allosteric interactions in a birod model of DNA

Jaspreet Singh, Prashant K. Purohit|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 12.

Bacteriophages and microbial interactions참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비틀림 강성과 비틀림 강성이 없는 배경을 갖는 탄성 이중 나선으로서 DNA를 이원자 모델로 제안하며, 염기서열 상호작용을 나타내는 탄성 웹을 통해 이소성 단백질-단백질 상호작용을 정량화한다. 단백질 결합을 局부 결함으로 모델링함으로써 상호작용 에너지가 거리에 따라 지수적으로 감소하면서도 10–11bp 주기로 진동함을 도출하였으며, 이는 실험 데이터와 일치하며 감쇠 길이가 DNA의 기계적 성질과 GC 농도에 의해 결정됨을 연결지어 보여준다.

ABSTRACT

Allosteric interactions between molecules bound to DNA at distant locations have been known for a long time. The phenomenon has been studied via experiments and numerical simulations, but a comprehensive understanding grounded in a theory of DNA elasticity remains a challenge. Here we quantify allosteric interactions between two entities bound to DNA by using the theory of birods. We recognize that molecules bound to DNA cause local deformations that can be captured in a birod model which consists of two elastic strands interacting via an elastic web representing the base-pairs. We show that the displacement field caused by bound entities decays exponentially with distance from the binding site. We compute the interaction energy between two proteins on DNA as a function of distance between them and find that it decays exponentially while oscillating with the periodicity of the double-helix, in excellent agreement with experiments. The decay length of the interaction energy can be determined in terms of the mechanical properties of the strands and the webbing in our birod model, and it varies with the GC content of the DNA. Our model provides a framework for viewing allosteric interactions in DNA within the ambit of configurational forces of continuum elasticity.

연구 동기 및 목표

• DNA 상의 멀리 떨어진 위치에 결합한 단백질 간의 이소성 상호작용에 대한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해 연속체 탄성 이론을 사용한다.
• 두 결합 단백질 간의 상호작용 에너지가 거리와 DNA의 기계적 성질에 어떻게 의존하는지 정량화한다.
• 전기적 상호작용이나 DNA 루프 형성 없이도 실험적으로 관측된 상호작용 에너지의 진동 감쇠를 설명한다.
• 특히 GC 농도가 상호작용 범위를 조절하는 데 미치는 영향을 포함한 서열 의존성에 대해 연구한다.
• 탄성 고체 내의 구성력과 단백질-DNA 상호작용을 이원자 모델을 통해 연결한다.

제안 방법

• DNA를 두 개의 비틀림 강성과 비틀림 강성이 없는 배경을 가지며, 염기서열 상호작용을 나타내는 탄성 웹으로 연결된 이원자로 모델링한다.
• 식 (19)에 제시된 변위장 가설을 사용하여 띠와 염기서열의 미세 변위 및 미세 회전을 기술한다.
• 나선의 곡률과 반경을 지정한 경계 조건 하에서 이원자 시스템의 제어 방정식을 해결한다.
• 두 결합 단백질 간의 상호작용 에너지를 그들이 유도한 탄성 변형장의 겹침을 분석하여 거리에 따른 함수로 계산한다.
• 상호작용 에너지의 감쇠 길이를 배경과 웹의 탄성 상수와 연결하며, AT와 GC 염기서열 간의 강성 차이를 고려하기 위해 χ 라는 매개변수를 포함한다.
• 수치적 해법과 고유값 분석을 통해 감쇠 길이를 추출하고, Kim 등 [4]의 실험 데이터와의 일치를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DNA 상의 멀리 떨어진 위치에 결합한 두 단백질 간의 상호작용 에너지는 거리에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 실험적으로 관측된 10–11bp 주기로 진동하는 상호작용 에너지의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 DNA의 GC 농도는 이소성 상호작용의 범위와 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 국소적 변형을 가진 DNA의 연속체 탄성 모델로부터 상호작용 에너지의 지수 감쇠를 유도할 수 있는가?
• RQ5 탄성 고체 내의 구성력이 DNA 루프 형성이나 전기적 상호작용 없이 단백질-DNA 이소성 효과를 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 두 단백질 간의 상호작용 에너지는 거리에 따라 지수적으로 감소하며, χ = 1일 경우 감쇠 길이는 약 9 염기서열이다 (GC-rich DNA를 나타냄).
• 상호작용 에너지는 10–11 염기서열 주기로 진동하며, 실험 관측과 일치하며 DNA의 나선형 주기성에서 기인한다.
• 감쇠 길이는 염기서열 웹의 탄성 상수가 감소할수록 증가하므로, AT-rich DNA 서열에서는 GC-rich 서열보다 더 긴 거리 범위의 이소성 상호작용을 보인다.
• 모델은 감쇠 길이가 강성 매개변수 χ에 대해 거듭제곱의 역수에 비례하는 파워 루프 의존성을 예측하며, $ l_d \rightarrow \text{const} \times \rho^{-2/3} $ 로 표현되며, 실험 및 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• 상호작용 에너지는 이온 농도에 영향을 받지 않으며, 이는 관측된 이소성 효과가 전기적 상호작용이 아닌 기계적 변형에 의해 유도된다는 결론을 지지한다.
• 모델은 실험적으로 측정된 이완 속도의 거리 의존성을 성공적으로 재현하여 단백질-DNA 상호작용 에너지 예측 능력을 검증한다.