[논문 리뷰] Coarse-grained modelling of strong DNA bending II: Cyclization

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

DNA and Nucleic Acid Chemistry참고 문헌 61인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 짧은 조각(<210 bp)에서 DNA 순환 열역학을 조사하기 위해 군집화된 oxDNA 모델을 사용하여, WLC 예측에서 벗어남이 주로 낫자국에서의 굽힘과 가장 짧은 분자에서의 끝 펴짐 때문이며, 내재된 이중나선 굽힘 때문이 아니라는 것을 밝혀냈다. FRET 실험에서의 동적 j-요소는 전이 상태에서 스트레스가 완전히 개발되지 않아 평형 j-요소보다 체계적으로 높다.

ABSTRACT

DNA cyclization is a powerful technique to gain insight into the nature of DNA bending. The worm-like chain model provides a good description of small to moderate bending fluctuations, but some experiments on strongly-bent shorter molecules suggest enhanced flexibility over and above that expected from the worm-like chain. Here, we use a coarse-grained model of DNA to investigate the thermodynamics of DNA cyclization for molecules with less than 210 base pairs. As the molecules get shorter we find increasing deviations between our computed equilibrium j-factor and the worm-like chain predictions of Shimada and Yamakawa. These deviations are due to sharp kinking, first at nicks, and only subsequently in the body of the duplex. At the shortest lengths, substantial fraying at the ends of duplex domains is the dominant method of relaxation. We also estimate the dynamic j-factor measured in recent FRET experiments. We find that the dynamic j-factor is systematically larger than its equilibrium counterpart, with the deviation larger for shorter molecules, because not all the stress present in the fully cyclized state is present in the transition state. These observations are important for the interpretation of recent experiments, as only kinking within the body of the duplex is genuinely indicative of non-worm-like chain behaviour.

연구 동기 및 목표

• 짧은 조각(<210 bp)에서 DNA 순환의 열역학을 군집화된 oxDNA 모델을 사용하여 조사하기 위해.
• 강하게 굽힌 DNA에서 순환 효율성에 대한 WLC 예측에서 벗어남의 원인을 규명하기 위해.
• 짧은 DNA 분자에서 굽힘 스트레스를 완화하는 메커니즘으로서 낫자국에서의 굽힘, 이중나선 굽힘, 끝 펴짐을 구분하기 위해.
• 최근 FRET 실험을 바탕으로 평형 j-요소와 동적 j-요소를 비교하기 위해.
• 순환 과정 중 스위블 엔드 하이브리드화를 모델링할 때 캡처 반경 가정의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• N_bp < 210 bp 범위의 다양한 DNA 길이에서 DNA 순환을 시뮬레이션하기 위해 oxDNA 군집화 모델을 사용하였다.
• 구성 샘플링을 통해 순환 자유 에너지를 계산하여 평형 j-요소를 산출하였다.
• 리가제 동역학을 고려하여 순환에 대한 전이 상태 장벽을 추정함으로써 동적 j-요소를 계산하였다.
• Q_bp = 1일 때 이중나선 영역의 첫 번째와 마지막 기초 사이의 거리로 캡처 반경을 정의하였으며, 펴짐을 고려하기 위해 뉴클레오티드 위치를 사용하였다.
• 집합 평균을 사용하여 캡처 반경의 분포를 분석하고 DNA 길이에 따른 의존성을 평가하였다.
• Shimada와 Yamakawa의 WLC 예측과 FRET 실험 데이터를 바탕으로 시뮬레이션 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Worm-like chain 모델에서의 벗어남이 DNA 순환에서 유의미하게 나타나는 DNA 길이는 어느 정도인가?
• RQ2 낫자국, 이중나선 굽힘, 끝 펴짐 중 어떤 구조적 메커니즘이 짧은 DNA 분자에서 굽힘 스트레스를 완화하는 데 지배적인가?
• RQ3 짧은 DNA 순환에서 평형 j-요소와 동적 j-요소는 어떻게 다를 수 있으며, 이러한 격차의 원인은 무엇인가?
• RQ4 스위블 엔드의 유한한 크기를 캡처 반경으로 모델링할 경우 순환 효율 예측에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 10개 염기의 스위블 엔드에 대해 일반적으로 사용되는 5 nm 캡처 반경은 oxDNA 시뮬레이션과 일치하는가?

주요 결과

• WLC 예측에서의 벗어남은 약 ~100 bp 이하의 길이에서 평형 j-요소에 나타나며, 주로 내재된 이중나선 굽힘보다는 낫자국에서의 굽힘이 원인이다.
• 가장 짧은 DNA 분자(N_bp < 40)에서는 끝 펴짐이 주요 완화 메커니즘이 되어 굽힘 스트레스를 크게 감소시킨다.
• 동적 j-요소는 평형 j-요소보다 체계적으로 높으며, 전이 상태에서 스트레스가 완전히 개발되지 않아 길이가 짧을수록 격차가 커진다.
• 집합 평균 캡처 반경 ⟨R_capture⟩은 N_bp ≈ 100–200일 때 약 4 nm이며, 실험적 해석에서 일반적으로 사용되는 5 nm 값과 일치한다.
• R_capture의 분포는 약간의 표준편차를 가진 가우시안에 가까운 형태를 띠며, 길이에 관계없이 유사하여 캡처 반경 추정의 강건성을 보여준다.
• 이중나선 몸통 내부에서의 굽힘만이 DNA 굽힘에서 비-WLC 거동의 징후로 간주되며, 낫자국이나 끝에서의 굽힘은 아니다.