DNA与单链DNA结合蛋白的分子机制

克里斯托弗·马菲奥(Christopher Maffeo)和Aleksei Aksimentiev
核酸研究45(21)12125-12139(2017)
doi:10.1093/nar/gkx917Bibtex

强调

基因组复制和维持是通过在单链DNA(ssDNA)上运行的蛋白质的集体作用发生的。所有细胞表达单链DNA结合蛋白(SSB),通过隔离具有高亲和力的ssDNA来防止误差,使其不受瞬态结构并保护其免受不需要的化学修饰。必须易于重新定位SSB,否则可能会拖延DNA复制和修复过程。蛋白质如何模拟结合DNA却迅速结合?

通过一组广泛的全原子分子动力学(MD)模拟,我们阐明了SSB与SSDNA的分子机制。首先,我们表明相同的SSB-SSDNA复合物可以自发​​地重新排列其结构,并取决于它是被生理溶液或蛋白质 - 晶体环境所包围的。接下来,我们通过模拟SSB-SSDNA组件的机械解散以及SSDNA片段与SSB的自发关联的模拟来探测SSDNA与SSB之间的局部相互作用。我们发现,在沿SSB表面的可再现位点停滞时,ssDNA的机械解开是高度随机的 - 在我们的DNA缔合模拟中结合具有高亲和力的ssDNA的相同位点。最后,我们直接观察到构成SSB扩散沿SSDNA的基本步骤的微观事件:ssDNA凸起的形成及其在SSB高亲和力位点之间的随机运动。据我们所知,这是通过平衡全原子MD模拟对蛋白质-DNA复合物中扩散运动的首次直接观察。基于从三种免费方法得出的数据,我们得出结论,SSB – SSDNA组件是由固定在SSB表面上高亲和力斑点的松散相关的ssDNA拉伸形成的。SSB扩散沿ssDNA的速率可能是通过从这些斑点中解离SsDNA来确定的。

抽象的

在DNA复制过程中,单链DNA结合蛋白(SSB)包裹具有高亲和力的单链DNA(SSDNA),以保护其免受降解并防止二级结构形成。尽管SSB紧密结合ssDNA,但可以沿ssDNA重新定位,以遵循复制叉的发展。使用全原子分子动力学模拟,我们表征了ssDNA与SSB的分子机制。放置在溶液中,观察到ssDNA – SSB组件自发地改变其结构。这种结构变化在晶体学环境中被抑制。机械张力下的SSB – SSDNA复合物的重复模拟显示,SSDNA在SSB表面的可重复位点上长时间逮捕而脱离SSDNA的众多途径。短ssDNA片段与SSB的自发关联的集合模拟详细介绍了局部与DNA的局部亲和力的三维图;发现与SSB结合的ssDNA的平衡量取决于电解质浓度,但不取决于SSB尾巴的酸性尖端的存在。在多个10 µs长的模拟中直接观察到ssDNA凸起的自发形成及其沿SSB表面的扩散运动。这种类似振兴的运动被DNA与高亲和力斑点结合限制,这表明SSB扩散的两步机制。

与单链DNA结合蛋白(SSB)结合的DNA被认为在浸入溶液中时采用许多微观构型。该动画描述了160 mM电解质溶液中SSB65复合物的500 NS平衡模拟。使用绿色范德华(VDW)球描绘了DNA,将蛋白质描述为白人分子表面。没有显示水和离子。在动画过程中,该复合物围绕垂直轴旋转。

在晶体学环境中与SSB结合的DNA的构型通过与相邻蛋白的接触稳定。该动画说明了晶体学环境中SSB – SSDNA复合物的近500 NS平衡模拟。晶体环境的单元包含四个SSB低聚物(浅蓝色)和八个35 nt ssDNA片段(绿色)浸入100 mM电解质溶液中。在模拟开始时,在晶体结构中解析的SSB和SSDNA原子具有晶体学坐标(PDB登录代码:1EYG)。使用绿色的VDW球来突出显示一个晶体学单元细胞,用于SSB蛋白的DNA和分子表面。使用较不详细的分子表面表示,在背景中描绘了晶体学单元细胞的几个副本。没有显示水和离子。

力诱导的SSB SSDNA复合物在精氨酸富的位点破裂。动画描绘了SSB65复合体的破裂。弹簧的自由末端以恒定速率沿垂直轴移开蛋白质。形成DNA主链和碱基的原子分别描述为绿色和浅绿色的VDW球体。每个蛋白质原子都被描述为一个VDW球体,其颜色是从蓝色或青色的四种阴影中选择的,具体取决于原子所属的单体。同时显示了系统的三个视图:两个跟踪与3'(顶部)和5'(底部)末端结合的末端核苷酸的两个视图,以及一种跟踪DNA中心与蛋白质结合的视图(右))。LOOPS L11'和L23之间的DNA结合凹槽的精氨酸残基分别使用橙色和黄色VDW球体显示。在低右象限中,在图中显示了与SSB结合的ssDNA片段的第一个(5'端)和最后一个(3'端)核苷酸的索引。核苷酸以ssDNA的5'至3'末端的升序编号。在大约100 ns的无偏平衡后进行仿真,并持续425 ns。

SSB的酸性C末端尖端无法与SSDNA竞争结合SSB表面。动画显示了持续340 ns的六个模拟之一,该模拟表征了SSB的ssDNA和C末端肽片段的竞争结合。该系统包含15个DT3片段,八个3-氨基酸肽片段以及仅包括水和Na+柜台中和浓度(40 mm)的溶剂。使用VDW球体描绘了DNA,将蛋白描述为白色分子表面,C末端酸性尖端肽片段显示为紫色VDW球。

SSB – SSDNA复合物的长时间模拟显示DNA的大规模运动。该动画说明了含有50 mm K+的电解质中SSB65的10μsMD轨迹。使用VDW球体描绘了DNA,并将蛋白描述为白人分子表面。

SSB复合物周围的静电环境对十微秒时间尺度的影响很小。该动画说明了1100毫米KCL电解质中SSB65的MD轨迹。使用VDW球体描绘了DNA,并将蛋白描述为白人分子表面。

SSB-gG突变体中的酸性尖端花费了很多时间在SSB的二聚体 - 二聚界面上吸附到凹槽上。该动画描绘了170 mM KCl溶液中SSB-GG突变体的10μsMD轨迹。使用VDW球体描绘了DNA,将蛋白描述为白色分子表面,C末端酸性尖端显示为紫色VDW球体。

    看到SSB表面上的小凸起的DNA沿SSB表面移动,这与扩散模型一致。该动画突出了在包含50 mm K+的电解质中模拟SSB65期间的仓库事件。VDW球描绘了SSB(浅蓝色)和DNA骨干原子。使用不同的颜色描绘每个核苷酸。为了清楚起见,未显示水,离子和DNA碱基。动画显示了整个10μs轨迹。

    一段ssDNA的大规模运动与HTE SSB表面的精氨酸富区之间的SSB表面结合。该动画说明了在170 mM KCl中SSB-GG突变体模拟过程中8个核苷酸ssDNA片段的一致运动。看到核苷酸可以在SSB表面正交到包装路径上移动,并返回原始位置。这些核苷酸的一端保持与DBG(橙色)的结合,另一端仍与N末端精氨酸斑块(黄色)结合。VDW球描绘了SSB原子(蓝色至白色)和DNA骨干原子(绿色)。该动画显示了〜6μs开始的10μs轨迹的1μs摘录