Interacting RNA polymerase motors on DNA track: effects of traffic congestion and intrinsic noise on RNA synthesis
RNA聚合酶（RNAP）是合成与单链DNA模板互补的信使RNA（mRNA）链的酶。从物理学家的角度来看，RNAP是一个分子马达，它利用化学能输入沿着DNA形成的轨道移动。在许多情况下，这是本文中所描述的，大量的RNAP同时沿同一轨道移动，我们把这种集体运动的RNAP作为RNAP流量。在这里，我们开发了一个理论模型RNAP交通纳入RNAP之间的空间相互作用，以及个别RNAP的机械化学循环在mRNA的延长。通过分析和数值技术的结合，我们计算了mRNA合成的速率和DNA轨道上RNAP的平均密度分布。我们还介绍，并计算，两个新的措施的波动在RNA的合成。分析这些波动，我们展示了如何在mRNA合成中的{ \it内在噪声}的水平取决于RNAP的浓度以及一些反应物和RNAP催化的酶促反应的产物的浓度。我们建议适当的实验系统和技术来测试我们的理论预测。
2008-01-10 physics.bio-ph q-bio.BM
Transcribing RNA polymerases: Dynamics of Twin Supercoiled Domains
本研究通过粗粒化布朗动力学模拟，揭示了RNAP转录DNA时双超螺旋结构域的动态演化规律，发现其高度依赖于超螺旋密度与聚合酶旋转弛豫速度，证明TSD是高度动态而非静态的。
2024-10-14 physics.bio-ph
A Biologically Motivated Asymmetric Exclusion Process: interplay of congestion in RNA polymerase traffic and slippage of nascent transcript
我们开发了一个理论框架，排斥过程的基础上，这是由一个生物现象称为转录滑移（TS）的动机。在这个模型中，一个离散的格子代表一条DNA链，而每个从一个位点跳到另一个位点的粒子代表一个RNA聚合酶（RNAP）。RNAP就像一个分子马达，沿着DNA轨道一步一步地行走，同时合成一条RNA链;在每一步前进中，它都将新生的RNA分子延长一个单位，同时使用DNA轨道作为模板。在DNA上的一些特殊的“滑动”位置，我们将其表示为晶格上的缺陷，RNAP可以失去对新生RNA的控制，后者随之发生的滑动导致最终产物比相应的DNA模板更长或更短。我们开发了一个排除模型RNAP流量的动力学系统在缺陷网站捕获TS事件的关键功能。我们证明了RNAP和TS的拥挤的相互作用。RNAP必须在更拥塞的RNAP业务中在缺陷站点等待更长的时间，从而增加了其遭受更大数量的TS事件的可能性。对于我们模型的一个简单特例，我们的一些结果的定性趋势与实验观察一致。这里提出的一般理论框架将有助于指导未来的实验查询和分析的实验数据与更详细的版本相同的模型。
2019-04-24 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
A biologically inspired two-species exclusion model: effects of RNA polymerase motor traffic on simultaneous DNA replication
我们引入了一个两物种排斥模型来描述RNA聚合酶（RNAP）马达交通之间的冲突的关键特征，从事一段DNA的转录，伴随着两个DNA复制叉在同一段DNA上的进展。其中一种粒子（$P$）代表RNAP马达，而另一种（$R$）代表复制叉。受该模型旨在捕获的生物学现象的启发，最多仅允许两个$R$粒子从两个相对端进入晶格，而不受限制的$P$粒子数量在晶格中间的区段中构成完全不对称的简单排除过程（TASEP）。因此，晶格由三段组成; $P$颗粒与$R$颗粒的相遇被限制在中间段（段$2$）内，而只有$R$颗粒可以占据段$1$和$3$中的位点。该模型捕获了三个不同的路径，用于解决同向以及头部碰撞之间的$P$和$R$粒子。使用Monte Carlo模拟和启发式的分析参数，结合精确的结果TASEP平均场近似，我们预测的交通之间的冲突RNAP电机（$P$粒子从事转录）和复制叉（$R$粒子）的可能结果。当然，结果取决于$P$粒子的TASEP的动力学相位。原则上，该模型可以适应实验条件，以定量地解释数据。
2018-01-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Residue profile in predivergence sequences as a guide to the origin of DNA replication
DNA依赖性RNA聚合酶核心亚基abb'保守残基的频率与密码子进化阶段10.4-11.1的密码子最接近匹配。过量的酸性残留物（阶段2添加）降低了这一估计值，但不超过2.3个阶段。在529个保守残基中有1个色氨酸（第14阶段添加），abb'显著代表性不足，这与遗传密码完成前其残基谱中的截止值一致。FEN-1同源物和DNA拓扑异构酶I-5'中的残基谱将它们的起源定位在第11-13阶段。原核生物分隔蛋白，FtsZ，出现较早，之间的阶段8-11。ATP驱动的质子泵中的蛋白脂质作为细胞膜形成的标志物。它表明该事件发生在第7阶段附近。细胞分裂、DNA复制和转录被推断起源于最后一个共同祖先的原始细胞前体。晚期形成的残基特征的RNA依赖的RNA复制酶，DNA聚合酶，逆转录酶和核糖核苷酸还原酶。这表明一些早期的过程，包括RNA复制和脱氧核苷酸合成，曾经依赖于在现存残基序列中没有发现的催化剂。拓扑异构酶I和合成和修剪RNA-DNA杂交体的酶的早期形成被认为是在从RNA到DNA基因组的过渡中具有线性RNA和DNA链的混合双链体的证据。
1999-11-17 physics.bio-ph q-bio
Bayesian inference of polymerase dynamics over the exclusion process
本文提出在流体动力学极限的不对称排斥过程上结合高斯过程先验进行贝叶斯推断，以由RNA聚合酶空间分布估计其转录速度，并揭示速率的位置依赖和拥堵的次要作用。
2023-07-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph stat.AP
Transcriptional bursts: a unified model of machines and mechanisms
{ \it Transcription}是RNA分子通过分子机器聚合的过程，称为RNA聚合酶（RNAP），使用相应的DNA作为模板。最近用单细胞进行的{ \it体内}实验已经确定转录以“爆发”或“脉冲”发生。在这封信中，我们提出了一个模型，捕捉不仅是机械化学的个人RNAP和它们的空间相互作用，但也开关的基因之间的ON和OFF状态。该模型解释了转录爆发的统计特性。它还显示了如何通过控制RNAP机器的操作的适当步骤来调整这些突发的分布的定量特征。
2008-11-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.GN
Kinetic discrimination of a polymerase in the presence of obstacles
生物系统中复制的高保真度的原因之一是动力学辨别。在这种机构中，较大的耗散和复制速度导致改进的复制精度。我们考虑一个模型的聚合酶，同时复制一个单链RNA和打开一个单双链连接作为一个障碍。障碍物的存在减慢了电机，导致其保真度的变化，这可以用来获得有关电机和连接动态的信息。我们发现，电机的保真度并不依赖于细节的电机连接处的相互作用，如相互作用是被动的还是主动的。复制保真度的分析仍然可以用作研究结动力学的工具。
2017-04-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A Model of Sequence Dependent Protein Diffusion Along Dna
我们引入了一个概率模型的蛋白质滑动运动沿DNA在搜索的目标序列。该模型解释了由于非特异性DNA和蛋白质之间的序列依赖性相互作用可能产生的影响。作为一个例子，我们专注于T7 RNA聚合酶，并利用其在启动子位点的相互作用的可用信息，以研究噬菌体T7 DNA序列对滑动过程的动力学的影响。大沟中的氢键被用作RNA聚合酶和DNA之间的主要序列依赖性相互作用。详细讨论了由此产生的动力学性质和实验验证的可能性。我们表明，虽然在大的时候，该过程达到一个纯扩散制度，它最初显示一个子扩散行为。亚扩散状态可以持续足够长的时间以引起生物学兴趣。
2002-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
DNA Supercoiling Drives a Transition between Collective Modes of Gene Synthesis
最近的实验表明，分子机器RNA聚合酶（RNAP）的多个拷贝可以有效地合成mRNA集体在启动子的活性状态。然而，环境诱导的启动子抑制导致长距离的拮抗相互作用，大大降低RNAP的速度，并导致mRNA合成的快速停滞。合作和对抗动态之间的这种转变的机制仍然知之甚少。在这封信中，我们介绍了一个连续的确定性模型的易位RNAP，RNAP的速度耦合到本地的DNA超螺旋以及密度的RNAP的基因。我们假设单个RNAP所经历的扭转应力因基因上的高RNAP密度而加剧，并且转录因子充当DNA超螺旋扩散的物理屏障。我们发现，这个最小的模型表现出两种转录模式介导的扭转应力：流体模式时，启动子是活跃的和扭转应力模式时，启动子被抑制，在定量协议与实验观察到的动态共转录RNAP。我们的工作为理解参与基因表达的分子机器的集体动力学迈出了重要的一步。
2021-03-19 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Theoretical model of transcription based on torsional mechanics of DNA template
转录是基因表达的第一步，其中特定的DNA片段通过RNA聚合酶（RNAP）复制为RNA。尽管DNA和RNA合成之间的复杂相互作用的许多细节在实验中被揭示，但转录的许多物理行为仍然是未知的。理解DNA和RNAP及其新生RNA和RNA结合蛋白在转录中的扭转力学可能是破译基因表达机制的第一步。基于RNA合成过程中的粘滞阻力与超螺旋DNA模板产生的扭矩之间的平衡，提出了一个简单的模型来描述转录过程中的力学性质。利用该模型，详细讨论了未转录DNA模板的旋转和超螺旋密度。两个特殊的情况下，转录被认为是，转录与恒定速度和转录与扭矩依赖的速度。我们的研究结果表明，在转录的初始阶段，旋转起源于DNA模板的转录部分主要是通过RNAP合成的旋转释放。在中间阶段，旋转通常由DNA模板的非转录部分的超螺旋和RNAP合成的旋转释放，比例取决于环境中的摩擦系数和新生RNA的长度。然而，随着未转录的DNA模板的扭曲接近上限，由转录引起的旋转将主要通过RNAP合成的旋转来释放。
2018-09-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Transcription-driven DNA Supercoiling: Non-Equilibrium Dynamics and Action-at-a-distance
本文通过单核苷酸分辨率粗粒化模型的布朗动力学模拟，研究转录对DNA超螺旋动力学的影响，发现转录产生的双超螺旋结构域具有不对称性，并导致对DNA结合蛋白的“超距作用”，同时揭示了扭曲扩散与扭曲弛豫之间存在显著的时间尺度分离。
2019-06-07 physics.bio-ph
Coarse-Grained Nucleic Acid-Protein Model for Hybrid Nanotechnology
杂交DNA -蛋白质纳米技术的新兴领域带来了许多新材料的潜力，这些材料将DNA纳米技术的可寻址性与蛋白质相互作用的多功能性相结合。然而，这些混合结构的设计和计算研究是困难的，由于所涉及的系统尺寸。为了帮助设计和计算机分析过程中，我们在这里介绍了一个粗粒度的DNA/RNA-蛋白质模型，扩展了DNA/RNA的oxDNA/oxRNA模型与基于各向异性网络模型表示的粗粒度蛋白质模型。我们的模型完全配备了分析脚本和可视化，旨在促进最终实验实现的混合纳米材料设计，以及使生物复合物的研究成为可能。我们通过模拟DNA-蛋白质纳米笼、包裹在组蛋白周围的DNA和聚合酶中的新生RNA进一步证明了它的用途。
2020-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Mixed molecular motor traffic on nucleic acid tracks: models of transcriptional interference and regulation of gene expression
RNA聚合酶（RNAP）是一种分子机器，它使用单链DNA（ssDNA）作为相应的模板聚合RNA分子（线性杂聚物）; RNA的单体序列由ssDNA模板上的单体序列决定。当聚合RNA时，RNAP在ssDNA模板上以特定的方向一步一步地行走。因此，RNAP也可以被认为是一个分子马达，它在DNA上行走的开始和停止位点标志着它转录成RNA的遗传信息的两端。两个重叠基因的转录干扰被认为调节它们的表达水平，即，通过一种对另一种的抑制作用，相应RNA合成的总速率。在这里，我们模拟这个过程作为一个混合的交通两组RNAP电机的特点是由两个不同的对开始和停止网站。每个基团聚合相同的RNA拷贝，而两个基团聚合的RNA是不同的。这些模型，这也可以被视为两个干扰完全不对称的简单的排斥过程，占所有模式的转录干扰，尽管他们的极端简单。平均场论和计算机模拟的组合，这些模型证明了开关样调节的两个干扰基因在两组RNAP电机的同向和反向交通的物理起源。
2015-02-25 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
First Passage Time in Computation by Tape-Copying Turing Machines: Slippage of Nascent Tape
DNA模板序列中化学编码的遗传信息的转录是由称为RNA聚合酶（RNAP）的分子机器进行的。新生RNA相对于DNA模板链的向后或向前滑动产生分别比相应模板长或短的转录物。我们将RNAP建模为“磁带复制图灵机”（TCTM），其中DNA模板是输入磁带，而新生RNA链是输出磁带。尽管TCTM总是向前推进，但该过程被假设为是随机的，即每单位时间有一个发生概率。TCTM在输入带上每次成功向前步进所需的时间是一个随机变量，在此期间，输出带由于向后或向前滑动而遭受$n$单位的延长或缩短;我们通过使用计算{ \it首次通过时间}分布的形式来报告此时间的一些统计特性。结果可能会发现应用程序的实验数据分析的“编程”转录错误所造成的转录滑移，这是一种模式的“重新编码”的遗传信息。
2017-04-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
An Energy Based Scheme for Reconstruction of Piecewise Constant Signals observed in the Movement of Molecular Machines
分析基于单个DNA的分子机器如聚合酶和解旋酶的物理和化学性质常常需要在碱基对的长度尺度上跟踪步进运动。虽然已经开发出能够达到该极限的高分辨率仪器，但是单个步骤经常被实验噪声隐藏，这使得数据处理复杂化。在这里，我们提出了一个有效的两步算法，它通过最小化基于能量的模型（基于能量的步进器，EBS）检测高带宽信号中的步骤。首先，一个有效的凸去噪方案，它允许压缩的振幅和高原长度的tupels。其次，在图上制定的组合优化算法被用来分配步骤的tupel数据，同时占先验信息。基于已发表的RNA聚合酶II（Pol II）动力学数据模拟泊松步进数据，测试算法的性能。与现有的寻步方法相比，EBS在速度和精度上都有很大的优势。此外，有能力检测回溯间隔的实验数据的Pol II，以及检测步进行为的Phi29 DNA包装电机被证明。
2016-07-13 physics.bio-ph
First-passage processes on a filamentous track in a dense traffic: optimizing diffusive search for a target in crowding conditions
几个重要的生物过程是由蛋白质与DNA上的特定位点结合而启动的。转录因子（transcription factor，TF）是一种蛋白质，它在DNA上寻找特异性结合位点的策略已经被研究了几十年。近年来，像DNA结合蛋白这样的障碍物对TF搜索的影响开始受到关注。RNA聚合酶（RNAP）马达在称为转录的基因组过程中沿着DNA片段共同移动。这种RNAP流量必然会影响TF搜索其结合位点对DNA的相同片段的扩散扫描。出于这种现象，在这里，我们开发了一个动力学模型，其中一个“粒子”，代表TF，搜索一维晶格上的特定位置。在同一个晶格上，另一种粒子，每一种都代表一个RNAP，从左到右跳跃，就像完全不对称的简单排他过程（TASEP）一样，禁止一个以上的粒子同时占据任何位置，不管它们的身份如何。虽然TF被允许附着到任何晶格位点或从任何晶格位点分离，但是RNAP可以仅附着到晶格的左边缘处的第一个位点并且仅从晶格的右边缘上的最后一个位点分离。我们将搜索公式化为{ \it首次通过}过程;从定义明确的初始状态开始，到达目标位点{ \it首次通过}所需的时间为搜索时间。通过近似解析计算和蒙特卡罗（MC）计算机模拟，我们计算了平均搜索时间。我们发现，RNAP交通纠正TF的扩散运动的布朗棘轮，和成功搜索的平均时间甚至可以短于所需的RNAP交通的情况下。此外，我们表明，有一个最佳的脱离率，对应于最短的平均搜索时间。
2018-10-16 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Models of topological barriers and molecular motors of bacterial DNA
本文通过粗粒化模型和布朗动力学模拟，研究细菌DNA中拓扑屏障与分子马达如何影响超螺旋、接触图及螺线管动态，为理解细菌染色体组织提供理论支持。
2025-10-07 physics.bio-ph
