[论文解读] Counterion atmosphere around DNA double helix: trapping of counterions at the nanoscale

Sergiy Perepelytsya, Oleksii Zdorevskyi|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2022

Electrostatics and Colloid Interactions参考文献 47被引用 4

一句话总结

本研究基于反离子凝聚理论，提出了一种分析模型，用以预测单价反离子（K+）在B型DNA沟槽内的捕获情况，结果表明每磷酸根基团有0.16至0.43个反离子被捕获于双螺旋内部。分子动力学模拟结果与此一致，得出每磷酸根基团有0.22 ± 0.06个反离子位于沟槽内，表明反离子云分布不均匀，由于特定的离子-DNA相互作用，沟槽内部的反离子密度更高。

ABSTRACT

DNA is strong polyelectrolyte macromolecule making metal ions (counterions) condense to a cloud around the double helix. The counterions may be localized outside the macromolecule and inside the minor and major grooves of the double helix. In the present work, the distribution of condensed counterions between inner and outer regions of DNA has been studied using the approaches of counterion condensation theory. The results have shown that the number of counterions trapped inside the macromolecule should be greater than 0.16 per one phosphate group. The maximal number of counterions that may be localized inside the DNA double helix is limited to about 0.4 per one phosphate group and it is much lower than the total number of condensed counterions. To analyze the structure of counterion cloud the molecular dynamics simulations of \emph{B}-DNA with K$^{+}$ counterions have been performed. The obtained number of the counterions trapped inside the grooves of the double helix is about 0.22$\pm$0.06 per one phosphate group that agree with the model estimations. The developed model describes general features of the structure of counterion cloud around DNA and is able to predict the number of counterions inside the grooves of the double helix.

研究动机与目标

• 为了理解DNA周围反离子分布的非均匀性，特别是被束缚在沟槽内部的反离子比例与外部云层中的比例。
• 为了构建一个理论模型，以解释DNA沟槽中反离子捕获现象，超越标准反离子凝聚理论的范畴。
• 为了通过B型DNA与K+反离子的分子动力学模拟验证该模型。
• 为了量化相对于总凝聚反离子数，局部化在小沟和大沟中的反离子数量。

提出的方法

• 通过在曼宁反离子凝聚理论基础上引入反离子在DNA沟槽中的捕获能项，进行扩展。
• 利用静电自由能和熵变自由能贡献，推导出凝聚反离子中位于双螺旋内部与外部的比例的解析表达式。
• 采用泊松-玻尔兹曼框架，模拟DNA周围的静电势和离子分布。
• 在显式溶剂中对B型DNA进行全原子分子动力学模拟，计算离子停留时间和空间分布。
• 基于距螺旋轴的距离以及沟槽特异性区域（小沟/大沟）定义离子定位。
• 将模拟结果与模型预测进行比较，以验证捕获机制，并估算被捕获反离子数量的范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 有多少比例的凝聚反离子被束缚在DNA双螺旋沟槽内部，而非存在于外部云层中？
• RQ2 反离子凝聚模型需要如何修改，才能解释DNA沟槽中的离子捕获现象？
• RQ3 每磷酸根基团有多少个K+离子实际存在于B型DNA沟槽内部？
• RQ4 离子停留时间与溶剂化作用如何影响反离子在DNA沟槽中的定位？
• RQ5 核苷酸序列（A-T富集区与G-C富集区）在多大程度上影响反离子分布？

主要发现

• 该模型预测，每磷酸根基团有0.16至0.43个反离子被束缚在DNA双螺旋沟槽内部。
• 分子动力学模拟得到每磷酸根基团平均有0.22 ± 0.06个K+离子位于沟槽内，与模型预测结果高度一致。
• 被束缚在沟槽内部的反离子数量显著低于总凝聚反离子数（每磷酸根基团0.76个），表明分布具有非均匀性。
• 小沟中的反离子比大沟中的反离子更靠近螺旋轴，但两种沟槽中每磷酸根基团的平均反离子数量相近。
• A-T富集区域的反离子数量高于G-C富集区域，归因于较窄的小沟增强了离子亲和力。
• 模拟结果证实，反离子云在沟槽内部的密度高于外部区域，支持了模型中关于离子捕获的预测。