Multiprotein DNA looping
DNA成环在各种生物过程中起着重要作用,为DNA上的长程相互作用提供了骨架。在这里,我们开发了第一个模型的DNA循环的任意大量的蛋白质和解析解决它的情况下,相同的结合。我们发现了一个开关式的循环和非循环阶段之间的过渡,并确定控制这种过渡的关键参数。我们的研究结果为定量了解基本细胞过程(如DNA重组、基因沉默和端粒维持)奠定了基础。
2006-06-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
A Generalized Theory of DNA Looping and Cyclization
我们已经开发了一个广义的半解析方法,有效地计算环化和循环$J$因素的DNA在任意约束条件下。许多涉及DNA-蛋白质相互作用的生物系统对DNA施加了精确的边界条件,这就需要在Shimada-Yamakawa环化模型之外进行处理。我们的模型允许DNA被视为具有序列依赖性的固有曲率和刚度的杂聚物。在这个框架中,我们独立计算焓和熵的贡献$J$因素,并表明,即使在小的长度尺度$(\sim \ell_{p})$熵的影响是显着的。我们提出了一个简单的解析公式来描述我们的数值计算结果为一个均匀的DNA在平面环,它可以用来预测实验环化和环的形成率作为一个函数的环的大小和绑定几何形状。我们还介绍了一个有效的扭转持久性长度,描述了扭转和弯曲的DNA之间的耦合时,循环。
2009-11-18 q-bio.BM
DNA looping: the consequences and its control
由蛋白质和蛋白质复合物形成的DNA环在许多基本细胞过程中普遍存在,包括转录、重组和复制。本文综述了近年来在理解DNA成环的性质及其如何通过基因调控传播到细胞行为方面的进展。将分子特性与细胞生理学联系起来的结果表明,体内DNA的成环比当前模型预测的要复杂得多,也更容易,并揭示了大量以前未被认识的细节。
2006-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Inferring the in vivo looping properties of DNA
通过蛋白质和蛋白质复合物使DNA成环的自由能决定了远端DNA位点可以相互影响的程度。我们推断其在体内的价值,通过结合计算实验方法为不同长度的循环,并发现,除了固有的周期性的DNA双螺旋,自由能有振荡的组成部分,约一半的螺旋周期。此外,振荡具有这样的振幅,使得调节分子的作用强烈依赖于它们精确的DNA定位,但很容易通过它们的合作相互作用来调节。这些意想不到的结果可以赋予DNA的物理性质在形成基因调控的性质方面比以前认为的更突出的作用。
2005-12-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Strong cooperativity and inhibitory effects in DNA multi-looping processes
我们表明,可能出现在一个DNA片段的不同的循环之间存在着高度的相互关系。由特定环的形成引起的链段中的构象变化可以促进或阻止另一个环的出现。基本的循环选择机制进行了分析,通过一个哈密顿模型,从该模型中的循环自由能和相应的镇压水平可以计算。我们发现单循环和多循环形成的概率之间存在显着差异。这些集体效应可能对基因调控过程的后果进行了概述。
2009-03-23 q-bio.BM q-bio.SC
Electrokinetic-flow-induced viscous drag on a tethered DNA inside a nanopore
最近的工作表明,孔隙区域内的粘性效应引起的阻力可以解释[Ghosal,S.物理学修订版E。第71卷,051904(2006)和Phys.Rev.Lett. vol.98,238104(2007)]在涉及电压驱动的DNA通过纳米孔的易位的某些实验中观察到易位时间。孔内的电动流动和伴随的粘性效应在解释DNA固定在纳米孔内的实验中也起着至关重要的作用[U. Keyser等人,Nature Physics vol.2,473(2006)]。在本文中的粘性力明确计算的纳米孔的圆柱形几何形状。研究发现,由于粘性阻力和曼宁凝聚引起的电荷减少所引起的系绳力的减小是相似的。这一结果对解释DNA束缚的实验数据具有重要意义。
2012-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Role of boundary constraints in DNA cyclization
我们修改了经典的Shimada-Yamakawa理论的DNA成环通过推广的形式的边界约束。这种概括在DNA环化实验的背景下是重要的,因为它模拟了“切口”DNA环的降低的局部刚性。我们的研究结果表明,非平凡的边界约束可能是负责现有的各种DNA环化实验之间的显着差异。有效的哈密顿方法可以进一步扩展到广泛的一类DNA成环问题。
2007-03-12 cond-mat.soft q-bio.BM
Probing a label-free local bend in DNA by single-molecule Tethered Particle Motion
能够表征DNA局部弯曲对于彻底理解许多生物过程是必不可少的,因为它们涉及双螺旋轴的局部弯曲,无论是序列固有的还是由蛋白质结合引起的。开发一种不干扰DNA本身或DNA-蛋白质复合物构象的DNA弯曲角测量方法是一项具有挑战性的任务。在这里,我们提出了一个联合的理论实验高吞吐量的方法来严格测量这种弯曲角度,使用系留粒子运动(TPM)技术。通过仔细建模的TPM几何形状,我们提出了一个简单的公式的基础上扭结蠕虫状链模型提取的弯曲角度从TPM测量。使用由575个碱基对DNA与1至7个6A-束的同相组装体制成的构建体,我们发现序列CA 6CGG诱导19 [4] °的弯曲角。我们的方法是成功地比较理论上更复杂或实验侵入性的,如环化,NMR,FRET或AFM。我们进一步将我们的程序应用于文献中的TPM测量,并证明蛋白质诱导的弯曲角度,如整合宿主因子(IHF)也可以可靠地评估。
2015-04-29 cond-mat.soft q-bio.BM
Colloidal particle motion as a diagnostic of DNA conformational transitions
拴系粒子运动(英语:Tethered particle motion)是一种通过观察附着在DNA上的微米级粒子的位置波动来实时监测DNA单分子构象变化的实验技术。本文回顾了最近的一些工作中固有的理论问题的解释TPM实验,无论是在平衡和动力学方面。
2007-10-04 q-bio.BM q-bio.QM
Free-energy calculations for semi-flexible macromolecules: Applications to DNA knotting and looping
我们提出了一种方法来获得数值精确的值的半柔性大分子系统的构型自由能,基于热力学积分结合正常模式分析的参考系统受到谐波约束的技术。与以前的自由能计算依赖于参考状态相比,我们的方法引入了两个创新,即使用内部坐标来约束参考状态和自由选择这些参考状态的能力。因此,有可能探索经历比先前计算中考虑的波动大得多的波动的系统,包括具有轮廓长度L与持续长度P的任意比率的半柔性生物聚合物。为了验证该方法,证明了对于具有L/P=20和L/P=40的素DNA结的自由能的高精度,分别对应于3000和6000个碱基对的DNA长度。然后,我们应用该方法来研究的自由能景观的模型的突触核蛋白复合物含有一对环状结构域,揭示了最佳突触(交叉)网站的位置分叉。这种转变与DNA结合蛋白的靶位点选择有关,DNA结合蛋白占据基因组上被大的线性距离隔开的多个DNA位点,这是基因调控、DNA重组和II型拓扑异构酶作用中自然出现的问题。
2015-07-21 cond-mat.soft q-bio.BM
Stepwise bending of DNA by a single TATA-box Binding Protein
TATA盒结合蛋白(TBP)是所有三种真核RNA聚合酶所必需的,用于启动大多数启动子的转录。TBP识别、结合并弯曲DNA中称为"TATA盒“的启动子序列。我们目前的研究结果,个别酿酒酵母TBPs与含有TATA盒的单个DNA分子相互作用。使用视频显微镜,我们观察到的布朗运动的珠子栓由短的表面结合的DNA。当TBP结合并弯曲DNA时,DNA的构象发生变化,与未弯曲的DNA相比,拴系珠的布朗运动的幅度降低。我们检测到个人的结合和解离事件,并推导出动力学参数的过程。通过增加盐浓度或通过使用光镊直接拉动拴系的珠来诱导解离。除了明确定义的自由和束缚类的布朗运动,我们观察到另外两类运动。这些额外的类被确定为具有三步线性结合途径上的中间状态。讨论了中间态的生物学意义。
2006-03-07 physics.bio-ph q-bio.BM
DNA cyclization and looping in the wormlike limit: normal modes and the validity of the harmonic approximation
在过去三十年的大部分时间里,蒙特卡罗模拟方法一直是准确计算具有序列依赖性弯曲或不均匀弯曲柔性的DNA模型的环化概率、$J$或J因子的标准方法。然而,在过去的十年中,半柔性聚合物模型的谐波分析的基础上的方法已经推出,它提供了更大的计算效率比蒙特卡罗技术。这些方法考虑的是关于一个明确定义的弹性能量最小值的谐波波动方面的分子构象的合奏。然而,谐波近似仅适用于小系统,因为较大系统的可及构象空间越来越多地由非谐波贡献主导。在J因子的计算值的情况下,作为DNA长度的函数的$J$的精确值的谐波近似的偏差尚未被表征。使用最近,数值精确的方法,占非谐和谐波贡献$J$的蠕虫状链的任意大小,我们在这里报告的明显错误,结果从忽略非谐行为。对于蠕虫状链的轮廓长度小于四倍的持久性长度的误差$J$所产生的谐波近似一般是小的,相当于自由能小于热能,$k_B T$。然而,对于较大的系统,谐波和精确$J$值之间的偏差随着尺寸近似线性地增加。
2015-07-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Multiple Lac-mediated loops revealed by Bayesian statistics and tethered particle motion
细菌转录因子LacI通过同时结合到DNA上的两个独立位置来使DNA成环。尽管是一个最好的研究模型系统的转录调控,环结构的数量和构象的访问LacI仍然不清楚,虽然多个共存的循环的重要性已被牵连在LacI和其他细胞调节基因表达之间的相互作用。为了探讨这个问题,我们已经开发了一种新的分析方法拴系粒子运动,一个通用的和常用的体外单分子技术。我们的方法,vbTPM,进行变分贝叶斯推断隐马尔可夫模型。它学习不同状态的数量(即,DNA-蛋白质构象)直接从系留粒子运动数据,具有比现有方法更好的分辨率,同时容易校正常见的实验伪影。研究短(约100 bp)的LacI介导的环,我们提供了三个不同的环结构的证据,比以前报道的单分子研究。此外,我们的研究结果证实,LacI构象和DNA结合拓扑结构的变化都有助于在体外形成的LacI介导的环的剧目,并提供定性的循环和转录调控模型的新输入。我们预计vbTPM将广泛用于探测复杂的蛋白质-核酸相互作用。
2014-06-18 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.BM
Single DNA conformations and biological function
从纳米科学的角度来看,细胞过程及其减少的体外模拟为高度稳健的少数或单分子反应途径提供了非凡的例子。一个主要的例子是涉及DNA分子的生化反应,以及这些反应与DNA物理构象的耦合。在这篇综述中,我们总结了最近的结果,对以下现象:我们调查的生物物理性质的DNA循环和DNA结的平衡配置,其相关的生物过程越来越多地赞赏。我们讨论了随机DNA循环可能与蛋白质在DNA分子上的特异性结合位点的目标搜索过程的效率有关。我们详述间歇性DNA纳米气泡的自发形成及其对生物过程的重要性,如转录起始。DNA的物理性质可能确实特别适合在纳米传感应用中使用DNA。
2006-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Protein-mediated DNA Loop Formation and Breakdown in a Fluctuating Environment
活细胞提供了一个波动的、不平衡的环境,在这个环境中,基因必须协调细胞功能。DNA成环是调节转录的一种常见方式,它在很大程度上是一个随机过程;环是由DNA的热运动和细胞环境的其他波动引起的。我们提出了单分子测量的DNA环的形成和崩溃时,施加一个人工波动的力量,模仿波动的细胞环境,施加在DNA上。我们表明,环的形成大大增强噪音的存在下,只有一小部分的$k_B T$,但发现假设的监管计划,采用机械张力的DNA-作为一个敏感的开关,以控制转录-可以令人惊讶的强大,由于偶然取消噪音的影响。
2010-04-21 q-bio.BM
In vivo evidence of alternative loop geometries in DNA-protein complexes
lac阻遏物使双链DNA成环的体内自由能具有显著的行为,其起源尚未完全了解。除了固有的周期性的DNA双螺旋,在体内的自由能有一个振荡分量的约一半的螺旋周期和振荡的幅度显着小于目前的理论预测的不对称。在这里,我们表明,在体内的行为是准确地占同时存在的两种不同的构象的环状DNA。我们的分析表明,这两种构象具有不同的最佳自由能和相位,并且它们在关键结构蛋白的存在下表现得截然不同。
2006-02-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Determinants of cyclization-decyclization kinetics of short DNA with sticky ends
具有粘性末端的DNA的环化通常用于构建DNA微环和测量DNA可弯曲性。短DNA(< 150 bp)的环化概率具有很强的长度依赖性,但它如何依赖于粘性末端围绕螺旋轴的旋转定位尚不清楚。为了阐明短DNA环化概率的决定因素,我们使用单分子荧光共振能量转移(FRET)测量了具有粘性末端的~100-bp DNA在两个螺旋周期内的环化和解环速率。环化速率随长度单调增加,表明没有过度扭曲,而脱环速率随长度振荡,在半整数螺旋圈处较高,在整数螺旋圈处较低。振荡曲线在动力学和动力学上与三态环化模型一致,其中粘性末端的短DNA首先弯曲成扭转松弛的泪滴,随后在末端碱基堆叠时过渡到更稳定的环。我们还表明,从这项研究中提取的成环概率密度(J因子)与蠕虫状链模型在100 bp附近是很好的协议。对于较短的DNA,我们讨论了各种实验因素,防止J因子的准确测量。
2018-12-21 physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of supercoiling on formation of protein mediated DNA loops
DNA环的形成是生物体用来调节基因的几种机制之一。形成环的自由能是决定相关基因是开启还是关闭的重要因素。本文用DNA弹性杆模型测定了蛋白质介导的DNA短环(50- 100个碱基对)形成自由能。活细胞DNA中的超螺旋应力是决定环形成的能量学的关键因素,我们在计算中明确地考虑到了这一点。阻遏蛋白本身被认为是一个刚性耦合器;它的几何形状通过它施加在DNA上的边界条件进入问题。我们表明,这些成分的理论是足够的解释在体内基因活性的调制中观察到的某些功能作为操作位点之间的距离的函数的乳糖阻遏物。我们还使用我们的理论作出定量预测的依赖循环的超螺旋应力,这可能是可测试的在体内和单分子实验,如拴系粒子测定和磁珠测定。
2006-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Kinetics of Interior Loop Formation in Semiflexible Chains
半柔性链内部单体之间的环形成描述了生物分子折叠和DNA弯曲中的基本事件。我们使用平均场方法解析计算半柔性链的内部距离分布函数。利用由距离分布函数导出的平均力势,采用Kramers理论,给出了内成环动力学的一个简单表达式。对于DNA的参数,这是适当的,在比较的情况下,理论预测是在良好的协议与明确的布朗动力学模拟蠕虫状链(WLC)模型。当环的刚度不同于悬挂端的刚度时,内部成环时间($τ_{IC}$)可以大大改变。如果悬挂端比环更硬,则对于具有均匀持久长度的WLC的情况,$τ_{IC}$增加。相比之下,柔性悬挂末端的附接提高了内部环形成的速率。该理论还表明,如果单体带电荷并通过屏蔽库仑势相互作用,则在低离子浓度下,环化($τ_c$)和内部成环($τ_{IC}$)时间都大大增加。因为$τ_c$和$τ_{IC}$基本上都是由有效持续长度($l_p^{(R)}$)决定的,所以我们通过改变单体之间的排斥相互作用的范围来计算$l_p^{(R)}$。对于短程相互作用,$l_p^{(R)}$几乎与裸持久长度一致,裸持久长度在很大程度上由主链连接性决定。这一发现合理化的有效性描述了一些实验观察(生物聚合物的力和环化动力学的响应)在生物分子中使用WLC模型与有效的持久性长度。
2006-01-19 cond-mat.soft q-bio.BM
Non-equilibrium chromosome looping via molecular slip-links
我们提出了一个模型的基础上形成的染色质循环的扩散滑动的DNA结合因子,可以二聚化,形成一个分子滑动链接。我们的滑动链接模仿了类粘蛋白分子的行为,这些分子与CTCF蛋白一起稳定了组织基因组的环。通过结合三维布朗动力学模拟和一维精确可解的非平衡模型,我们表明,扩散滑动足以解释实验观察到的有利于收敛CTCF介导的染色体环的强烈偏见。重要的是,我们的模型不需要任何潜在的、耗费能量的内聚素运动活动。我们还发现,多个滑动链接沿染色质的扩散运动可能会被纠正一个有趣的棘轮效应,如果滑动链接绑定到染色质在一个首选的“加载站点”。这种紧急的集体行为是由一个一维渗透压,这是建立在加载点附近,并有利于挤压的环路,这是远远大于由单个滑动链接形成的。
2016-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Dependence of DNA persistence length on ionic strength of solutions with monovalent and divalent salts: a joint theory-experiment study
使用高通量系留粒子运动单分子实验,在具有不同离子强度$I$的Na $^+$和Mg $^{2+}$离子的溶液中测量双链DNA持续长度$L_p$。$L_p(I)$的几个理论方程与实验数据相拟合,但没有发现适合两种离子价态的所有$L_p$值的决定性理论。适当提取的粒子轨迹使用模拟,$L_p$变化从30纳米到55纳米,并与以前的实验结果进行了比较。对于Na $^+$唯一的情况下,$L_p$是一个递增的凹函数的$I^{-1}$,很好地拟合曼宁的静电拉伸方法,但不是经典的Odjik-Skolnick-Fixman理论与或没有反离子凝聚。随着加入镁$^{2+}$离子,$L_p$显示出显着的下降,在低$I$,解释为离子-离子相关效应,在$I^{-1}$几乎线性的法律,拟合提出的变分方法。
2015-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM