[논문 리뷰] Coarse-grained modelling of strong DNA bending I: Thermodynamics and comparison to an experimental "molecular vice"

Ryan M. Harrison, Flavio Romano외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 30.

Bacteriophages and microbial interactions참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 oxDNA 원자 구조가 간소화된 모델을 사용하여 강한 DNA 굽힘을 조사하여, 높이 굽은 DNA 구조에서 기저 쌍 결합과 스택이 손상된 국소적 케이크 형성—즉, 균일한 굽힘보다도 선호되는 국소적 굽힘—이 발생함을 밝혀냈다. 케이크 상태는 굽힘 에너지를 최소화하여 실험에서 관찰된 증가된 유연성, 특히 분자 복사 실험에서의 현상을 설명하며, 끝에서 끝까지의 거리 및 케이크 발생 확률에 대한 실험 데이터와 강한 일치를 보인다.

ABSTRACT

DNA bending is biologically important for genome regulation and is relevant to a range of nanotechnological systems. Recent results suggest that sharp bending is much easier than implied by the widely-used worm-like chain model; many of these studies, however, remain controversial. We use a coarse-grained model, previously fitted to DNA's basic thermodynamic and mechanical properties, to explore strongly bent systems. We find that as the end-to-end distance is decreased sufficiently short duplexes undergo a transition to a state in which the bending strain is localized at a flexible kink that involves disruption of base-pairing and stacking. This kinked state, which is not well-described by the worm-like chain model, allows the duplex to more easily be sharply bent. It is not completely flexible, however, due to constraints arising from the connectivity of both DNA backbones. We also perform a detailed comparison to recent experiments on a "molecular vice" that probes highly bent DNA. Close agreement between simulations and experiments strengthens the hypothesis that localised bending via kinking occurs in the molecular vice and causes enhanced flexibility of duplex DNA. Our calculations therefore suggests that the cost of kinking implied by this experiment is consistent with the known thermodynamic and mechanical properties of DNA.

연구 동기 및 목표

• 웜-와이어드 체인(WLC) 모델의 한계를 넘어서 강하게 굽은 DNA 구조의 열역학을 이해하기 위해.
• 기저 쌍 결합과 스택이 손상된 국소적 케이크 형성이 실험적으로 관찰된 초-WLC 유연성의 원인인지 조사하기 위해.
• 최근 Fields 등이 수행한 분자 복사 시스템의 실험 데이터와의 비교를 통해 케이크 형성 가설을 검증하기 위해.
• 짧은 DNA 이중나선에서 케이크 형성과 관련된 자유 에너지 비용과 구조 전이를 정량화하기 위해.
• 다양한 길이와 서열에서 케이크 형성이 연속적인 굽힘보다 지배적인 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• DNA의 열역학, 기계적 성질 및 서열 의존성을 잘 반영하는 oxDNA 원자 구조가 간소화된 모델을 사용하였다.
• 끝에서 끝까지의 거리 함수로 굽힘 자유 에너지를 계산하기 위해 우산 샘플링과 자유 에너지 계산을 적용하였다.
• 50%의 구성에서 기저 쌍 결합과 스택이 손상된 상태가 존재하는지를 기반으로 케이크 상태를 식별하기 위해 에너지 감지기(energetic detector)를 적용하였다.
• 다양한 루프 길이와 이중나선 길이를 가진 분자 복사 설정을 시뮬레이션하여 케이크 형성, 풀림, 분리 전이를 탐색하였다.
• 기저 쌍 결합의 약화가 케이크 형성 경향에 미치는 영향을 평가하기 위해 온도 의존성 시뮬레이션을 수행하였다.
• Fields 등이 제공한 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션된 구조적 성질(예: 끝에서 끝까지의 거리, 케이크 발생 확률)을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 케이크 형성이 분자 복사와 같은 실험 시스템에서 관찰된 증가된 유연성의 원인일 수 있는가?
• RQ2 짧은 DNA 이중나선에서 케이크 형성의 열역학적 비용은 얼마이며, WLC 예측과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 케이크 형성은 DNA 길이, 서열, 그리고 오류(예: 불일치 또는 절단)와 같은 구조적 결함에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 이중나선에서 연속적인 굽힘에서 케이크 상태로의 전이가 일어나는 끝에서 끝까지의 거리는 어느 정도인가?
• RQ5 온도와 기저 쌍 안정성이 매우 굽은 DNA에서 케이크 형성 가능성을 어떻게 조절하는가?

주요 결과

• 기저 쌍 결합과 스택의 국소적 손상이 수반된 케이크 상태는 짧은 끝에서 끝까지의 거리에서 에너적으로 유리해져 매우 굽은 DNA 구조를 가능하게 한다.
• 평균 기저 서열에서 케이크 전이 중간점은 약 18.0 Å의 끝에서 끝까지의 거리에서 발생하며, 굽힘 자유 에너지는 18.0 kcal/mol이다.
• 28-염기 이중나선에서, 케이크 형성이 가장 유리한 서열은 폴리(AT) 서열(ΔG_trans = 14.8 kcal/mol)이며, 가장 불리한 서열은 폴리(GC) 서열(ΔG_trans = 21.1 kcal/mol)이다.
• 분자 복사에서, 케이크 상태는 중간 길이의 루프(N_loop ≈ 30)에서 지배적이며, 짧은 루프 길이에서는 분리와 풀림이 지배적이다.
• N_dup = 88 bp일 경우, 케이크 형성 확률은 2% 이하로 감소하여 긴 길이에서 연속적인 굽힘이 지배적인 것으로 나타났다.
• 45 °C일 경우, 분자 복사에서 케이크 형성은 거의 없었으며, 기저 쌍 결합의 약화가 케이크 형성보다 분리 전이를 촉진함을 일관되게 보여주었다.