[论文解读] Tautomeric Transitions in DNA

V. L. Golo, Yu. S. Volkov|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2001

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于孤立子的模型，用于描述DNA碱基对中的互变异构跃迁，结合了量子质子隧穿与经典的弹性DNA动力学。结果表明，离散旋波（孤立子样激发）可在约1 μs内将易发生突变的状态集中，提示在质子隧穿频率处的红外辐射可能通过稳定瞬时的互变异构状态来诱导突变。

ABSTRACT

We study the tautomeric transitions in base pairs of DNA considering elastic properties of DNA as classical and tunneling of protons as quantum, and show that the dynamics of the transitions admits of soliton like solutions whose shape and size strongly depend on the structure of the double helix. In particular, we have found that the set of discrete breathers can be drastically modified by the interplay of the torsional and elastic constants. Our results may have a bearing upon substitution mutagenesis within the framework of Watson-Crick's approach, and in this respect the breather soliton could describe conformations corresponding to point mutations. The numerical simulation of soliton dynamics suggests that an initial distribution of base pairs with low probability of mutation per pair but of a sufficiently large number of base pairs involved, could move and gather around a site so as to form a set of base pairs with high probability of mutation, for a period of time approximately 1 musec. We suggest that the irradiation of DNA at frequencies of the proton tunneling, that is in infra-red region, could cause mutations.

研究动机与目标

• 研究DNA碱基对中互变异构跃迁与双螺旋弹性特性之间的相互作用。
• 建立模型，阐明量子质子隧穿与经典弹性特性如何共同影响DNA中的突变动力学。
• 探讨局域化的孤立子样激发（离散旋波）是否能够集中DNA中的易突变状态。
• 评估红外辐射在诱导互变异构跃迁及由此引发突变中的潜在作用。
• 为通过孤立子介导的低概率互变异构状态聚焦机制理解点突变提供理论框架。

提出的方法

• 将互变异构跃迁建模为氢键结合碱基对内的量子质子隧穿事件。
• 将DNA弹性行为经典化，将扭转常数和弹性常数纳入系统动力学。
• 使用辐射滤波（RF）算法，从演化波包中数值提取稳定的孤立子样解。
• 迭代应用RF算法以抑制辐射损耗，收敛至辐射最少的孤立子解。
• 采用长波长近似，推导出孤立子振幅的非线性Schrödinger型方程。
• 使用牛顿-拉夫森法求解所得的非线性函数方程，获得振幅分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于质子隧穿与弹性DNA动力学的相互作用，DNA中是否能出现孤立子样解？
• RQ2 扭转常数和弹性常数如何影响DNA中离散旋波的形成与稳定性？
• RQ3 通过初始低概率互变异构状态的聚焦，是否能形成局域化的高概率突变位点？
• RQ4 此类聚焦过程的时间尺度是多少，是否与生物突变过程一致？
• RQ5 在与氢键中质子隧穿频率匹配的红外辐射下，是否能触发互变异构跃迁并诱导突变？

主要发现

• DNA中互变异构跃迁的动力学支持孤立子样解的存在，其形状与大小关键取决于双螺旋的扭转常数和弹性常数。
• 数值模拟表明，初始的低概率互变异构状态可在约1 μs内聚焦为局域化的高概率突变位点。
• DNA系统中的离散旋波可因扭转与弹性特性的相互作用而发生显著改变，从而实现对易突变构象的局域激发。
• 辐射滤波（RF）算法通过抑制辐射损耗成功分离出孤立子解，验证了所计算激发态的稳定性。
• 该模型表明，在与氢键中质子隧穿频率匹配的红外辐射下，可能触发互变异构跃迁并进而诱导突变。
• 结果支持沃森-克里克互变异构突变假说，表明局域化的长寿命激发可通过对构象聚焦解释点突变。