双链DNA的端到端吸引力

克里斯托弗·马菲奥（Christopher Maffeo），Binquan Luan和Aleksei Aksimentiev
核酸res40（9）3812-21（2012）
doi：10.1093/nar/gkr1220PMID：22241779Bibtex

强调

DNA – DNA相互作用对于许多生物学过程至关重要，包括DNA复制，重组和压实。尽管两个或多个DNA分子之间的并排相互作用已成为许多研究的主题，但双链DNA的端到端相互作用及其在细胞生物学和DNA纳米技术中的作用几乎完全没有探索。最近的实验显示出短杆状结构的短双链DNA片段的自发端到端关联。为了确定驱动这种壮观自组装的力的显微镜，幅度和力范围，我们使用全原子分子动力学方法进行了首次直接研究端到端关联的直接研究。我们的最先进的自由能计算结合了自发自组装的蛮力模拟，揭示了端到端相互作用的标准结合自由能和动力学速率常数。我们发现端到端力是强，短距离，疏水性的，并且仅依赖于离子浓度。讨论了堆叠的自由能与端到端吸引力之间的关系，以及在生物学和纳米技术系统中端到端相互作用的可能作用。这项工作在报告出现在核酸研究。

抽象的

最近的实验[Nakata，M。等人，端到端堆叠和液晶凝结为6至20个基础DNA双链体。Science 2007;318：1276-1279]表明，短杆状DNA片段与长杆状结构相关。通过广泛的全原子分子动态模拟，我们表征了双链DNA的端到端相互作用，定量描述了端到端关联过程的力，自由能和动力学。我们发现短的DNA双链体可自发聚集，当轴向排列在少量的单价电解质中。据观察，5'-磷酸基团的静电排斥促进了与B形DNA双螺旋相似的构象中的聚集体的形成。外力的应用表明，端到端组装的破裂是通过末端底座对的剪切而发生的。使用两种互补方法估算了端到端关联和解离过程的标准结合自由能和动力学速率：在包含458个DNA片段的系统中，两个DNA片段的伞采样模拟以及直接观察聚集过程。我们发现端到端力是短范围，有吸引力，疏水性的，并且仅依赖于离子浓度。讨论了堆叠的自由能与端到端吸引力之间的关系，以及在生物学和纳米技术系统中端到端相互作用的可能作用。

PDF图标支持信息

我们对一对轴向排列并最初分离的DNA片段进行了模拟。如动画所示，一对DNA片段迅速折叠成端到端的组件。我们重复了19次模拟，并在所有情况下都发现了快速崩溃。在这里，DNA片段的5'末端终止于羟基。端到端组件的方位角通常在0或180度左右（比较规范DNA中的34度）。这两种配置最大化了两个DNA片段底部之间的接触区域。

DNA片段的末端化学性质显着影响端到端组件的构型。在这里，我们展示了两个DNA帧的二十个轨迹之一，其中5'-磷酸化末端塌陷成端到端组件，这有利于整个连接的连续5'至3'方向。因此，端到端组件与单个规范的DNA分子非常相似。

上述仿真中存在的轴向缩减约束可能会人为地促进端到端组件的稳定性。当去除轴向比对限制时，端到端组件仍然稳定地绑定，以超过600纳秒的模拟。在该动画中描述的模拟中，DNA的5'末端终止于羟基中。

转导的分子动力学用于探测端到端吸引力的能量学。将弹簧束缚在每个DNA片段的末端核苷酸的质量（COM）中心。弹簧的剩余长度增加了，通过终端底座对剪切诱导破裂。在其他模拟中，我们使用了几种不同的拉动方案，这些方案均通过相同的途径诱导破裂：末端核苷酸的剪切。

这些模拟使我们能够估算约8 kcal/mol的端到端组装的结合自由能的上限。一系列的伞采样模拟证实，标准结合自由能在6.3±1 kcal/mol的范围内。

我们增强的采样模拟表明，DNA片段的端到端关联与非常大的自由能井有关。为了确保我们的预测确实是正确的，我们对每一侧的立方体积中的458个DNA片段进行了蛮力模拟。最初未接触的DNA片段聚集成260 NS模拟期间最多11个DNA片段的链。最初，描述了包含所有DNA片段的晶胞。随后，最长的10个聚集体的组装被动画。由于聚集体可以跨越系统的周期性边界，因此显示了单位单元格的相邻周期性图像。

模拟证实，与DNA片段端到端关联相关的自由能非常大。