[论文解读] Coarse-grained modelling of strong DNA bending II: Cyclization

Ryan M. Harrison, Flavio Romano+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2015

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 61被引用 8

一句话总结

本研究采用粗粒度oxDNA模型研究短片段（<210 bp）DNA环化热力学，发现偏离蠕虫状链（WLC）预测的主要原因在于切口处的扭结和最短分子末端的卷曲，而非双链本身的固有扭结。FRET实验测得的动态j因子系统高于平衡j因子，这是由于过渡态中应力未能完全发展所致。

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.

研究动机与目标

• 使用粗粒度oxDNA模型研究短片段（<210 bp）DNA环化的热力学。
• 确定强弯曲DNA环化效率偏离蠕虫状链（WLC）预测的根源。
• 区分切口处扭结、双链扭结和末端卷曲在短DNA分子中作为应变松弛机制的相对贡献。
• 比较平衡j因子与动态j因子，尤其结合近期FRET实验结果。
• 评估在建模环化过程中粘性末端杂交时捕获半径假设的有效性。

提出的方法

• 采用oxDNA粗粒度模型模拟不同DNA长度（N_bp < 210 bp）下的DNA环化过程。
• 通过构型采样计算环化自由能，获得平衡j因子。
• 通过估算环化过渡态的能垒，并考虑连接酶动力学，计算动态j因子。
• 将捕获半径定义为在Q_bp = 1时双链区域首尾碱基之间的距离，利用核苷酸位置以考虑末端卷曲效应。
• 使用系综平均分析捕获半径的分布，并评估其与DNA长度的依赖关系。
• 将模拟结果与Shimada和Yamakawa的WLC预测以及实验FRET数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种DNA长度下，DNA环化的WLC模型偏离开始变得显著？
• RQ2 在短DNA分子中，何种结构机制——切口处扭结、双链扭结或末端卷曲——主导了弯曲应变的松弛？
• RQ3 在短DNA环化中，平衡j因子与动态j因子有何差异？造成这种差异的原因是什么？
• RQ4 通过捕获半径建模的粘性末端有限尺寸，在多大程度上影响了环化效率的预测？
• RQ5 对于10个碱基的粘性末端，常用5 nm捕获半径是否与oxDNA模拟结果一致？

主要发现

• 平衡j因子偏离WLC预测的现象在长度低于~100 bp时开始显现，主要源于切口处的扭结，而非双链本身的固有扭结。
• 对于最短的DNA分子（N_bp < 40），末端卷曲成为主导的应变松弛机制，显著降低弯曲应变。
• 动态j因子系统高于平衡j因子，且该差异随DNA长度缩短而增大，原因在于过渡态中应力未能完全发展。
• 当N_bp ≈ 100–200时，系综平均捕获半径⟨R_capture⟩约为4 nm，与实验解释中常用的5 nm值一致。
• R_capture的分布近似为高斯分布，且在不同长度下标准差相似，表明捕获半径估计具有鲁棒性。
• 仅双链内部的扭结（而非切口或末端处）可作为DNA弯曲非WLC行为的指示。